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01
内容概览
现有技术缺点：
传统机器人缺乏传感器、执行器和控制器的紧密集成，限制了其柔软性和生物相容性，难以满足与生物组织的顺应性要求。 在软机器人材料设计和制造方面，存在结构适应性和生物相容性等挑战，限制了植入设备的长寿命和多功能性。
作者提出基于仿生学的软机器人设计，集成电子皮肤和人工肌肉，灵感来自脊椎动物的肌肉与皮肤系统。
通过原位溶液法将多功能传感器和驱动器嵌入生物兼容平台，结合无线模块实现无束缚操作。
这种设计能够在组织内无应力接触，自适应运动，减少生物-非生物界面压力，提高生物相容性。
应用场景：
机器人夹持器：包裹膀胱，评估容量并进行电刺激治疗膀胱活动不足。
机器人袖带：用于血压和血流检测。
可吞服机器人：在胃中扩张，实现长期pH监测和药物输送。
机器人贴片：用于心脏感应和电刺激治疗，轻柔地抓取并释放心脏。
总结与展望：
软机器人通过集成驱动器、传感器和刺激器，实现了仿生的结构适应性和动态重构，在生物医学植入领域展示了多功能性与潜在应用价值。仿生软机器人的多模态纳米复合材料设计以及无线控制支持在动态环境中实现长期生物相容性。未来研究可进一步强化与生物组织的协同，以支持慢性病治疗的长效稳定应用。
文章名称：Skin-inspired, sensory robots for electronic implants
期刊：Nature Communications
文章DOI：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-48903-z
通讯作者：美国北卡罗来纳大学白武斌（Wubin Bai）教授
02
图文简介
作者介绍了实现无束缚、柔软机器人的概念和装置设计，这些机器人遵循生物仿生学的融合方式，将驱动器、传感器和刺激器集成在一起，以实现结构适应和动态重构，从而在植入过程中减少组织损伤，缓解生物-非生物界面的压力，提高生物相容性，并增强设备的时空精度下的多模态性能（图1）。利用这种仿生软机器人，作者开发了针对特定应用场景量身定制的软机器人：
(i) 一种能够包裹膀胱的机器人夹持器，实现协调的闭环操作，用于评估膀胱容量并进行电刺激治疗膀胱活动力不足；
(ii) 一种可以测量血流和血压的机器人袖带；
(iii) 一种可吞服的机器人，在进入胃部后可以扩张，用于长期监测和药物输送；
(iv) 一种能够主动抓取并释放跳动心脏的机器人贴片，用于心外膜感应和电刺激（E-stim）；
图1 示意图展示了仿生感知机器人作为微创智能植入物用于诊断、刺激和药物输送。 A 血管系统的机器人袖带。扭转运动对血管提供了物理包裹，以精确检测血压和提供结构支撑。B 心外膜界面的机器人贴片。抓握运动使其能够轻柔接触跳动的心脏而不产生残余应力，以提供心脏收缩力和温度的实时量化，以及电疗。C 用于消化系统的可吞服机器人。从微型药丸形状到3D扩展的环形结构的结构转变，使其能够在胃内停留较长时间，提供pH值感测和药物输送。D 用于膀胱控制的机器人夹持器。抓握膀胱的自适应运动提供了对膀胱容积的精确跟踪和针对性刺激，用于治疗泌尿系统疾病。
受生物启发的多模态感知软体机器人
通过模仿皮肤和肌肉的分层结构以及相关的生物功能，作者的软机器人集成了多电子模块和热驱动水凝胶，实现了类似感受器的感知功能，可以检测不同刺激，以及按需的肌肉般收缩，产生身体适应性运动，赋予软机器人在自主导航现实世界环境的智能(图2B)。图2C展示了一个制备的仿海星的多模态感知软机器人。机器人由三个主要层组成：一个柔性纳米复合层作为嵌入不同传感器（应变、压力、pH和温度）和刺激器（热和电）的多模态电子皮肤（e-skin），一个热响应水凝胶层作为产生驱动力的人工肌肉，以及一个薄生物粘附层作为缓冲介质，形成e-skin和人工肌肉之间的界面结合。
视频S1
在这项工作中，作者构建了一个在电子皮肤层中具有平行条带的几何结构。在热刺激下，PNIPAM水凝胶收缩，而PI保持稳定，产生结构上的差异性收缩。差异性热响应引起倾斜扭矩，导致集成机器人系统产生局部鞍状曲率和扭转运动（图2J和视频S3）。此外，作者还开发了一种基于锚定水凝胶/纳米复合三层结构的软机器人药丸，其中一个水凝胶肌肉层被两个分开的e-皮肤层包围，这些皮肤层在边缘与肌肉层结合（图S9A显示了详细的结构设计）。在热驱动作下，药丸可以自我扩展成为一个3D环形，因为肌肉层的收缩驱动电子皮肤层在平面外发生褶皱，如图2K和视频S4所示。
视频S3
视频S4
图2 用于多模态感知软机器人的多材料集成。
具有时空控制的按需机器人驱动
作者通过将可编程驱动和原位传感相结合来开发具有认知能力的软机器人。在这项工作中，电子皮肤与人工肌肉的集成使得生物启发式软体机器人能够独立实现局部区域的运动，从而整体上产生广泛的形状可变性。图3N展示了一个具有三个手臂的软体机械抓手，每个手臂包含不同类型传感器，包括光学传感器、热传感器和应变传感器，以及一个电加热器，以实现每个手臂的独立运动控制，从而允许按需抓取和与目标物体交互（视频S5）。
视频S5
图3 纳米复合材料的各向异性集成，用于具有时空控制的按需机器人驱动。
无线传感和软体感知机器人的驱动
图4 用于无线感知和驱动的软感知机器人的设计和构建。
与多种内脏交互的软感知机器人
作者开发了具有主动变形成3D结构能力的机器人，以生成与目标器官的无应力和稳定的界面，以增强感知、刺激和药物传递功能。在这里，作者开发了一种软机器人夹持器，用于实时评估膀胱容量和以无线闭环控制方式进行排尿治疗。所制备的机器人系统，如图5A-C，包括柔性的水凝胶驱动器、3D弯曲应变传感器、电刺激器和控制模块。
在这里，作者制备了一种软机器人袖带，可以在热刺激下包裹在血管周围（图5H），以实时测量血压。此外，这种受生物启发的软感知机器人设计还可以配置成可吞服的平台。在这项工作中，作者展示了一种可吞服软机器人能够在胃部长时间停留以进行pH监测和药物释放。
图5 与不同内脏交互的软感知机器人。A 完全可植入的软机器人夹持器，精确测量膀胱容量并通过无线闭环控制提供电刺激。B 控制平台包括无线能量收集网络、全桥放大器、稳压器和集成了蓝牙系统和MOSFET开关的信号调理电路。C 膀胱刺激模块的框图。D 部署在人工膀胱上的软机器人夹持器，演示了膨胀和收缩循环。E 测量人工膀胱上弯曲应变传感器的电阻特性与容积变化关系。F 3D弯曲应变传感器监测循环膀胱操作期间的实时容积变化，电阻和容积变化在双坐标轴上显示。G 程序化电刺激（顶部）和人工膀胱的测量容积（中部和底部）。H 软机器人袖带包裹在血管周围，用于监测血压。I 袖带在人工血管上的光学图像，用于刺激血液循环。J 在不同模拟血压下测量应变传感器的电阻变化。K 使用软机器人袖带测量人工动脉系统中的流体压力，左y轴显示电阻变化和右y轴上显示压力变化。L 设计用于持续监测胃pH和延长药物释放的可吞服的软机器人。M 机器人进入、扩张和阻塞在胃内的光学图像。N PEDOT:PSS/PVA水凝胶对pH范围从3到7变化的电响应，左y轴上为电阻，右y轴上为pH变化。O Rhodamine-B嵌入poly lactic-co-glycolic acid (PLGA)基质中形成隐藏在机器人内部的药物输送贴片，其释放量通过在不同温度下经过一小时的UV-vis吸收测量。
一款用于心外膜感知和电刺激的软机器人治疗夹持器
作者报告了一种软机器人治疗夹持器，可以轻柔地包裹心脏以进行监测电生理活动、温度和应变，并提供治疗功能（例如，电刺激）。这种软机器人治疗夹持器包含四个多功能臂，模仿海星形状，以确保有效贴附在心外膜表面，其柔软的力学特性确保对心脏动力学的干扰极小。
图6 用于心外膜感知和电刺激（E-stim）的软机器人治疗夹的体内验证。A）示意图展示了治疗夹在静息状态下的微创插入，并在激活状态下包裹在跳动心脏的表面。治疗夹包含四个由蛇形Au/PI电阻制成的应变传感器，两个基于Au的E-stim电极，以及两个由热敏电阻制成的温度传感器。B）驱动状态的有限元模型。C）软机器人治疗夹抓取活体小鼠心脏心外膜表面的图像。D）示意图显示治疗夹在小鼠心脏上的位置，其中应变传感器（标记为S1、S2、S3和S4）位于不同的心脏腔室，用于监测功能障碍组织。E）3T3-J-2细胞在未处理（对照）和暴露于集成有电子皮肤层和PNIPAM水凝胶肌肉层的软机器人体后，分别在37°C和39°C下培养48小时的共聚焦显微镜图像。F）软机器人暴露前后的细胞活力比较，表明在高温（39°C）下暴露于软机器人的3T3-J-2细胞的活力没有降低。G）治疗夹部署到小鼠心脏上的温度测量，验证了设备实时监测温度变化的能力。H）使用一对Au E-stim电极进行电刺激时的心电图（ECG）波形。健康心脏（I）和心肌梗死（MI）两周后受伤心脏（J）的光学图像。J中的白色虚线圆圈表示MI区域。健康心脏（K）和MI后心脏（L）的M型超声心动图。使用软机器人治疗夹包裹活体小鼠心脏，对局部心肌收缩的代表性测量，MI前（M）和MI后（N）。
03
文献来源
Zhang, L., Xing, S., Yin, H. et al. Skin-inspired, sensory robots for electronic implants. Nat Commun 15, 4777 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48903-z
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