模擬史萊姆機(jī)器人在胃中取紐扣電池

一團(tuán)黑褐色的瀝青狀黏液，伴隨著自身的蠕動(dòng)，逐漸移動(dòng)、伸長，仿佛有意識般地變換著各種形狀，蔓延著包裹住迎來之物……

看到這里，你的腦海中是不是浮現(xiàn)出了電影《毒液》中的場景?

電影照進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。近日，Advanced Functional Materials雜志上發(fā)表了一篇論文，展示了香港中文大學(xué)張立教授團(tuán)隊(duì)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝暉教授團(tuán)隊(duì)的最新合作研究成果——酷似“毒液”的磁性黏液機(jī)器人。因其外表和材質(zhì)酷似“史萊姆”玩具，又被稱為史萊姆機(jī)器人。

博士生看《毒液》看出靈感

在臨床醫(yī)療領(lǐng)域，微創(chuàng)手術(shù)、靶向藥物輸送等操作都離不開微型軟體機(jī)器人。

傳統(tǒng)微型軟體機(jī)器人的材質(zhì)主要有兩種，一是以硅膠彈性體為代表的固體，二是以磁流體、液態(tài)金屬為主的功能性液體。

但實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，硅膠彈性體的變形能力有限，液體機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性較差，在復(fù)雜的人體器官環(huán)境中都面臨諸多掣肘。

那么，能否有一種介于二者之間的物質(zhì)狀態(tài)，巧妙融合彈性體的環(huán)境適應(yīng)性與液體的變形能力，從而更好地用于臨床醫(yī)療呢?

在好奇心的驅(qū)使下，當(dāng)時(shí)還在哈爾濱工業(yè)大學(xué)讀博的孫猛猛，向?qū)熤x暉提出了自己的想法。“我是從電影《毒液》和史萊姆玩具那里得到的靈感，想看看能不能用一種水凝膠來模擬這種介于固體和液體之間的物質(zhì)狀態(tài)。”孫猛猛向《中國科學(xué)報(bào)》說道。

2021年，從哈工大博士畢業(yè)后，孫猛猛來到香港中文大學(xué)做博士后，向?qū)煆埩⑻岢隽送瑯拥南敕āＳ谑?，在哈工大和港中大兩位教授的全力支持與指導(dǎo)下，史萊姆機(jī)器人開始逐漸“顯形”。

首先是黏液的制備，研究人員將磁粉和硼砂依次添加到聚乙烯醇溶液中，獲得了一種磁性黏液。接著，將外部磁鐵固定在機(jī)械臂上，通過操縱機(jī)械臂來改變磁場，從而控制磁性黏液的移動(dòng)和拉伸，同時(shí)，磁性黏液本身的流體性質(zhì)也有助于它更好地適應(yīng)環(huán)境邊界。

不過，僅僅實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和拉伸似乎還不足以稱奇。

“要是能像章魚腕足一樣伸出去，再卷回來，也挺有意思!”靈光乍現(xiàn)之間，孫猛猛上前將伸長狀態(tài)下的史萊姆機(jī)器人隨機(jī)拉了幾下，沒想到，被拉伸的部位果然翹了起來!驚喜之余，他繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵，翹起之處竟然真的像章魚腕足一般，向內(nèi)卷曲起來。

“這就是史萊姆機(jī)器人的可重構(gòu)性。”孫猛猛解釋道。

由于黏液內(nèi)部的磁性顆粒具有一定的剩磁(剩余磁化強(qiáng)度)能力，當(dāng)永磁體沿著一定方向拉拽時(shí)，磁性顆粒就會沿著該方向進(jìn)行排布，形成一個(gè)梯度均勻的磁場，這時(shí)再將磁場轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)磁場，史萊姆機(jī)器人就會自然而然地卷曲。

這一發(fā)現(xiàn)意味著史萊姆機(jī)器人的功能又上了一個(gè)臺階——通過卷曲行為來抓取和包裹物體。原來，這團(tuán)小小的黏液不僅能“動(dòng)”，還非常靈活!

超凡身手，繼續(xù)點(diǎn)亮技能樹

視覺效果酷炫的史萊姆機(jī)器人，絕不僅僅是好玩而已。

“香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院在消化道方面的研究一直走在世界前列，得益于與醫(yī)學(xué)院的合作，我們的研究重點(diǎn)之一就在于，如何將史萊姆機(jī)器人應(yīng)用于人體消化道。”張立向《中國科學(xué)報(bào)》介紹道。

在關(guān)于史萊姆機(jī)器人應(yīng)用的設(shè)想中，由于其形態(tài)小巧、材質(zhì)柔軟，具有很好的變形能力和環(huán)境適應(yīng)性，它能夠在消化道內(nèi)自由移動(dòng)，快速進(jìn)入傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡難以到達(dá)的部位(如小腸)，且不會對人體器官或組織造成傷害。同時(shí)，它的卷曲和包裹能力有助于從消化道中取出意外吞食的異物，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)的遙控“手術(shù)”。

不過，要讓史萊姆機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室“卷”向臨床，還有一些關(guān)鍵性問題有待解決。

“臨床的第一要義是確保安全性。”張立表示。細(xì)胞毒性測試結(jié)果顯示，史萊姆機(jī)器人內(nèi)部的磁性顆粒具有一定毒性，如果進(jìn)入人體消化道，就必須將這種毒性控制在人體的承受范圍之內(nèi)。

“目前我們想到的辦法是在史萊姆機(jī)器人外面包裹一層二氧化硅，但在未來真正應(yīng)用之前，還需要進(jìn)一步嚴(yán)格地驗(yàn)證。”孫猛猛補(bǔ)充道。

另外，他們還希望賦予史萊姆機(jī)器人像“毒液”一樣的智慧。

目前，史萊姆機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)還需要通過外部磁鐵來進(jìn)行人為操縱，但在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的消化道環(huán)境中，人為操縱顯然力不從心。因此，科學(xué)家們希望實(shí)現(xiàn)史萊姆機(jī)器人的智能化，讓它能在醫(yī)生的指導(dǎo)下進(jìn)行自主決策和執(zhí)行，在消化道里“自動(dòng)駕駛”，暢通無阻地開展疾病診療。

張立強(qiáng)調(diào)，史萊姆機(jī)器人的舞臺還可以更廣大。

“在人手乃至機(jī)械臂都難以適應(yīng)的極端環(huán)境中，比如外太空，可以使用更大更強(qiáng)的磁鐵，對磁性物體進(jìn)行更遠(yuǎn)端的操控。在這方面，史萊姆機(jī)器人或許可以發(fā)揮它的優(yōu)勢，特別是在一些狹小空間內(nèi)進(jìn)行操作任務(wù)。”他說。

“上書架”或“上貨架”，研究都有意義

作為論文的第一作者，孫猛猛承擔(dān)了研究的整體構(gòu)思與設(shè)計(jì)工作。去年秋天，孫猛猛從哈爾濱工業(yè)大學(xué)來到香港中文大學(xué)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的研究氛圍，和香港中文大學(xué)對天馬行空idea的鼓勵(lì)，給孫猛猛創(chuàng)造了良好的探索環(huán)境。“我們的史萊姆機(jī)器人，現(xiàn)在還是一個(gè)初步的創(chuàng)新階段，但我們也在腳踏實(shí)地地向應(yīng)用方向推進(jìn)”。

這種務(wù)實(shí)與創(chuàng)新的碰撞，在張立看來，恰恰體現(xiàn)了應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究的同等重要性。

“通俗地講，基礎(chǔ)研究做得好叫‘上書架’，應(yīng)用研究做得好叫‘上貨架’，不論‘上書架’還是‘上貨架’，只要做得好，我覺得都非常有意義。”張立說。

作為香港中文大學(xué)—中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院機(jī)器人與智能系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的港方主任，張立一直致力于促進(jìn)香港與內(nèi)地的科研合作。

“我們與內(nèi)地一直有很好的合作關(guān)系，大家發(fā)揮各自的特長，積極合作，一定可以在國際舞臺上占有一席之地，而且對我們來說，這個(gè)舞臺只會越來越大。”他說。

參考鏈接：

https://inews.co.uk/news/science/scientists-create-magnetic-slime-robot-retrieve-accidentally-swallowed-objects-1553802

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202112508

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