无线微流控驱动的多功能微型软体机器人：多模态运动与流体操控的革命性突破

编辑推荐：本研究针对微型软体机器人难以实现无线流体操控的难题，开发了集成磁控微流泵阀系统的毫米级软体机器人，通过磁场协调控制实现爬行、行走、攀爬等多模态运动，并完成靶向给药、生物粘附剂递送和液体采样等复杂操作，为微创医疗机器人领域提供了突破性解决方案。

　　在医疗机器人领域，如何让微型机器人在人体复杂环境中执行精准流体操作一直是重大挑战。传统设备因尺寸限制难以集成流体控制系统，而现有微型机器人又面临运动与流体功能耦合的难题。范德比尔特大学团队在《Device》发表的这项研究，通过创新设计将磁控微流泵阀系统与多模态运动能力结合，打造出仅毫米级的全能型软体机器人。

研究采用分层制造技术构建机器人主体，集成由超吸收纤维(SAF)和硅胶膜活塞组成的无线泵系统，以及由磁化PDMS叶片构成的可编程阀门。通过外部磁场精确调控，机器人能在猪结肠组织表面实现三种突破性功能：1）利用SAF吸水膨胀驱动膜活塞，完成靶向药物释放；2）通过协调阀门开闭采集特定部位体液；3）自主释放壳聚糖生物粘附剂增强组织攀附力。特别值得注意的是，团队开发了"弹性关节变形-阀门动作"解耦控制策略，使机器人能在40-60mT磁场下独立控制运动与流体操作。

关键技术包括：1）磁场驱动弹性变形与刚性旋转复合运动控制；2）SAF定向膨胀驱动的单次喷射泵设计；3）磁化叶片阀门的角度敏感开关机制；4）猪结肠组织模型验证平台。实验结果展示该机器人可在3.5mm狭窄通道爬行（速度0.5mm/s），垂直攀爬湿滑组织，并能通过X射线/US成像引导定位。

在液体采样实验中，机器人通过60mT磁场触发阀门，8股SAF可吸收20μL液体，后经CaCl₂处理脱附回收样本。药物递送测试显示，Ecoflex 00-30膜活塞能实现0.15μL/s的稳定释放速率。最引人注目的是生物粘附功能——喷射壳聚糖后，机器人-组织粘附力从0.75mN提升至2.3mN，使攀爬成功率提高300%。

这项研究的核心突破在于建立了毫米尺度下"运动-流体"功能的解耦控制范式。相比传统内窥镜，该机器人兼具无创准入和精准操作优势，其磁控微流模块可适配不同形态的微型机器人。未来通过整合医学影像导航，这类设备有望变革胃肠道疾病诊断和靶向治疗方式，也为其他腔道器官的微创介入提供了全新技术路线。研究者特别指出，当前SAF泵的单次使用限制将通过可逆溶胀材料在后续工作中解决，而生物相容性优化将是临床转化的关键步骤。