亚毫米级铁磁软体连续体机器人(NP4FP-ETAC)的可重构嫁接技术及其在微创手术中的应用

为解决亚毫米级铁磁软体连续体机器人(FSCs)在生物管腔内导航与操作功能单一的难题，香港中文大学团队开发了基于电磁可调材料(ETAMs)的可重构连续体机器人(ETACs)。该研究通过铁磁热塑性材料的相变特性，实现了机器人任意部位的主动分裂(self-division)与融合(self-mergence)，在无预编程条件下完成复杂内窥镜任务。实验证明ETACs可在呼吸道、胃肠道等狭窄空间执行异物抓取、热消融等操作，其软化状态刚度降低达1000%-2000%，磁控弯曲角度提升至200°。该技术为微创手术提供了多功能一体化解决方案，发表于《Nature Communications》。

　　

在微创手术领域，亚毫米级铁磁软体连续体机器人(FSCs)因其优异的磁控导航能力，被视为突破生物管腔狭窄空间的理想工具。然而现有技术面临核心矛盾：机器人需要足够刚度以承受操作负载，又需在特定区域快速分裂重组以实现多功能化。传统硅橡胶基材料难以兼顾这两项特性，而低熔点合金(LMPAs)的固液相变窗口过窄，且依赖保护涂层限制了功能拓展。

香港中文大学的研究团队从植物嫁接技术获得灵感，开发了基于电磁可调材料(ETAMs)的新型连续体机器人(ETACs)。该材料家族包含三种功能区域：非磁性P区域(50-80 MPa)构成主体框架，含钕铁硼(NdFeB)的N区域(1-50 MPa)实现磁控弯曲，含四氧化三铁(Fe₃O₄)的F区域则通过射频(RF)加热实现相变。这种设计使ETACs能在40-70°C软化状态下完成主动分裂与融合(regrafting)，同时保持原始磁化方向。相关成果发表于《Nature Communications》。

研究团队采用熔融挤出打印技术一次性成型ETACs，通过数值模拟优化了梯度刚度分布。关键实验技术包括：1) 使用770 kHz射频场实现局部相变控制；2) 在离体猪支气管模型中验证多路径导航能力；3) 通过红外热成像监测40-120°C的精确温控；4) 裸鼠胃肠道模型验证热消融效果。

基本性能
通过设计P-N-F区域组合，ETACs在12 mT磁场下实现145°弯曲，预加热后弯曲角度提升500-1000%。梯度刚度设计使1 mm直径机器人在4 cm距离外仍能被永磁体控制，成功导航离体猪支气管32个目标位点。

自分裂机制
F/N区域在RF加热20秒内可达软化状态(△T≈30°C)，通过拉裂、扭裂、弯裂三种策略实现分裂。元素扫描显示分裂后磁矩保持稳定，80%纳米颗粒含量的F-ETAMs升温速率比N-ETAMs快50%。

自融合机制
采用面-面、线-线、点-点三种融合策略，1-3分钟内完成重组。拉伸测试表明融合界面强度与本体相当，P-F连接处可承受7N拉力。

应用验证

1. 载体机器人(N1-P1-N2-P2-N3-P3-F4-P4结构)分裂后同步抓取不规则物体、靶标贴附体和旋转体；2) 可嫁接夹钳在猪气道中成功移除坚果(5 mm)、纸条和动物组织，锁定后抓取力提升400%；3) 辅助电刀系统在猪肠黏膜下剥离中实现5秒快速组织牵拉。

该研究的突破性在于首次实现亚毫米机器人无涂层条件下的原位重构，其相变温度范围(40-70°C)既保证操作稳定性，又避免组织损伤。ETAMs的生物相容性测试显示72小时细胞存活率达79.35%(N-ETAMs)和86.50%(F-ETAMs)。研究为多功能内窥镜系统开发提供了新范式，未来可通过工业级射频设备(56 cm线圈直径)进一步拓展临床应用范围。