皮肤启发的用于电子植入的传感机器人
文摘
2024-06-19 10:01
上海
动态变化的环境促使生物朝着运动功能和传感器功能不可分割的整合方向进化。特别是脊椎动物的骨骼肌和感知皮肤之间的连贯整合，使它们能够在神经系统的协调下进行合理而有序的合作，从而执行具有智能的感知动作。镶嵌在柔软皮肤上的各种感受器(机械、热、痛觉和其他)收集并编码触觉数据，这些数据不仅能引导肌肉运动达到最佳状态，还能解释环境以增强意识和认知能力。这种在生物系统中建立起来的运动传感器集成系统激发了模仿皮肤柔软度的智能机器人系统的开发，使其能够安全地探索动态、非结构化和通常不确定的环境并与之互动，特别是当机器人与生物组织和器官连接以实现精准治疗时。然而，现有的机器人往往缺乏执行器、传感器和控制器之间的无缝集成，无法自然地保持物理柔软性和生物兼容性。创造这种受生物启发的体感软体机器人作为植入物，有望创新医疗技术，特别是在外科手术诊断、给药、假肢、人工器官和用于康复的组织仿真主动模拟器方面。概念上不同类型的软机器人植入体具有形状变形和功能化的形式，能够与生物组织相匹配，检索其功能特征，并提供治疗。传感与致动的结合不仅能通过动态调节与目标组织的结构界面提高植入物的诊断和/或治疗精度，还能使其成为人工器官，提供所需的结构转换和生理功能(如电信号和激素分泌)。尽管软机器人植入体取得了令人鼓舞的进展，但在设计材料和制造技术方面仍存在巨大挑战，以满足装置性能的多方面要求，包括与组织柔软度相匹配的顺应力学、确保植入安全的组成材料生物相容性、延长装置寿命的结构适应性以及增强装置功能的生物仿生学。北卡罗来纳大学教堂山分校Wubin Bai教授团队从脊椎动物骨骼肌和感觉皮肤的内聚整合中汲取灵感，提出了一种软体机器人的设计策略，主要由电子皮肤(e-skin)和人造肌肉组成。这些机器人采用基于原位解决方案的方法，将多功能传感和按需驱动集成到一个生物兼容平台中。它们采用仿生设计，可实现自适应运动和与组织的无应力接触，并由免电池无线模块提供支持，实现无绳操作。演示内容包括用于检测血压的机器人袖带、用于跟踪膀胱容量的机器人抓手、用于酸碱度感应和现场给药的可吞咽机器人，以及用于量化心脏功能和提供电疗的机器人贴片，突出了受生物启发的软机器人的应用多样性和潜力。该设计确立了一种通用策略，利用广泛的传感和响应材料，为医疗技术及其他领域开发集成软机器人。相关研究以“Skin-inspired, sensory robots for electronic implants”为题发表在Nature Communications期刊上。Fig. 1 | Schematic illustration showing bio-inspired sensory robots as minimally invasive smart implants for diagnosis， stimulation， and drug delivery.Fig. 2 | Multi-materials Integration for Multi-modal Sensory Soft Robot.Fig. 3 | Anisotropic integration of nanocomposites for on-demand robotic actuation with spatiotemporal control.Fig. 4 | Design and construction of a soft sensory robot for wireless sensing and actuation.Fig. 5 | Soft sensory robots interfacing with various internal organs.Fig. 6 | In vivo validation of a soft robotic thera-gripper for epicardial sensing and electrical stimulation (E-stim).在本研究中，作者报告了实现无系软机器人的概念和设备设计，这些机器人高度仿真生物系统，并无缝集成了致动器、传感器和刺激器，从而实现结构适应性和可重构界面，最大限度地减少体内组织损伤，增强生物-非生物界面的机械匹配，提高生物兼容性，并以时空精度改善多模态功能。该软体机器人主要包括由多模态纳米复合材料制成的电子皮肤层和由热响应 PNIPAM水凝胶制成的人工肌肉层，前者可模拟生物皮肤中的受体来感知各种外部刺激，后者可产生自适应运动。我们采用基于溶液的原位方法来制造柔性多模态电子皮肤。这种简便的方法代表了一个多功能平台，可将各种功能材料(如AgNWS、RGO和PEDOT:PSS)融入聚合物基质(如PDMS和PI)，从而形成具有高时空分辨率的各类传感器(如温度、压力和应变)。这种软机器人的仿生设计提供了机械运动的多样性，包括弯曲、扭转和膨胀，以及结构变形的多样性，包括类似海星、鱼骨、手性种球等结构。通过嵌入电子皮肤的电加热器的电热刺激触发按需驱动，可对软体的区域部分进行精确、独立的控制。此外，通过与无线模块的集成，即使机器人被植入体内，也无需系绳即可进行控制和通信为了展示其广泛的实用性，开发了针对特定应用场景的软体机器人。具体来说，制造了一个软机器人抓手，它可以缠绕在膀胱上，实现膀胱容量评估和电刺激的协调闭环操作以治疗膀胱过度活跃症；一个机器人袖带，它可以缠绕在血管上测量血压；还有一个可摄取机器人，它可以留在胃里，进行长时间的pH值检测和药物输送。通过对小鼠模型的体内研究，展示了软体机器人在轻轻包裹跳动的心脏、时空评估电生理活动、量化心脏收缩力以及提供电刺激进行功能调节等方面的能力。这些演示展示了此类软机器人作为具有结构智能和多功能的下一代生物医学植入物的潜在应用。未来的进步将进一步增强软植入机器人与生物组织之间的协同互动，从而在动态生理环境中实现长期的生物兼容性和稳定性，改善慢性疾病的治疗。Skin-inspired, sensory robots for electronic implantshttps://doi.org/10.1038/s41467-024-48903-z*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
