IF=51.4 综述 | 可穿戴和植入式软机器人

文摘   科学   2024-10-24 22:30   中国香港  
2024.10.11. 加州理工学院研究团队在《Chemical Reviews》上发表综述型文章 “Wearable and Implantable Soft Robots”,可穿戴和植入式软机器人

关于可穿戴和植入式软机器人的综述,主要介绍了软机器人的驱动机制、材料、制造技术、传感功能以及在康复辅助、器官模拟、手术工具和治疗等方面的应用,具体内容如下:

软机器人的发展:软机器人因具有灵活性和与生物组织相似的机械特性,在可穿戴和植入式应用中具有巨大潜力。
医疗应用的需求:传统刚性机器人在与人体直接交互时存在安全风险,而软机器人能提供更安全、舒适的交互方式,有望改善医疗领域的治疗效果。
软机器人的关键技术
  • 驱动机制和材料
    驱动机制:包括气动/液压弹性体、磁性弹性体、肌腱、介电弹性体、液晶弹性体、形状记忆聚合物和凝胶等,每种驱动机制都有其独特的优势和局限性。
    材料:理想的软机器人材料应具备高柔韧性、高强度、良好的生物相容性和响应环境刺激的能力,常见的材料包括硅橡胶、聚氨酯和水凝胶等。
  • 制造技术
    减材制造:如切割、激光切割和雕刻等,具有高精度和快速成型的特点,但难以实现多种材料的集成。
    成型制造:包括注塑、反应注塑、热压印和旋压等,适用于大规模制造,但在复杂结构的制造上存在一定限制。
    增材制造:如 3D 打印,能够快速制造复杂的三维结构,实现多功能集成,但在分辨率和材料兼容性方面仍有待提高。
软机器人的传感功能(多模态传感
  • 外感受和本体感受传感:模仿人类皮肤和关节的感觉功能,实现对环境和自身状态的感知,包括触觉、压力、温度和位置等信息的检测。
  • 温度传感:用于监测环境温度和机器人自身温度,确保机器人在不同温度条件下的正常运行,并能响应温度变化进行相应的控制。
  • 生化传感:能够检测生物体内的化学物质,如葡萄糖、乳酸和药物浓度等,为疾病诊断和治疗提供重要信息。
  • 电生理传感:记录生物电信号,如脑电图(EEG)、心电图(ECG)和肌电图(EMG)等,实现对神经系统和心血管系统的监测和控制。

软机器人的应用领域
  • 康复和辅助领域
    软可穿戴机器人:为上肢和下肢提供康复辅助,减轻残疾人士的行动障碍,提高生活质量。
    软机器人辅助治疗:利用机械组织刺激促进组织再生和修复,如肌肉骨骼系统的康复治疗。
    软假肢:替代传统的刚性假肢,提供更自然的运动和感觉功能,提高假肢的适应性和用户体验。
    软人机界面:实现人机之间的自然交互,通过表面肌电信号、脑电信号和机械信号等控制假肢动作,提供触觉反馈和感觉增强。
  • 器官模拟领域
    人工器官:如心脏和肺部的辅助装置,能够替代或增强器官功能,为治疗心脏和肺部疾病提供新的方法。
    病理模拟器:模拟疾病的病理状态,研究疾病的发生机制和治疗方法,为临床治疗提供参考。

  • 手术工具领域
    可转向的系绳机器人工具:通过自然或微创途径进入人体,实现手术器械的精确操作,减少手术创伤。
    手术中的功能化导管:如用于生物打印、药物输送和手术操作的导管,能够提高手术的效率和准确性。
    用于生物电子植入的集成软执行器:将电子设备与软执行器集成,实现对生物体内生理信号的监测和治疗干预。

  • 治疗领域
    局部刺激触发的非系绳软机器人:利用局部环境刺激,如pH值和温度变化,实现药物的精确输送和治疗。
    外部刺激触发的非系绳软机器人:通过外部刺激,如近红外激光和磁场,控制药物释放和机器人运动,实现远程治疗。
    导管辅助的非系绳软机器人导管在血管内进行导航和治疗,实现对心血管疾病的精准治疗。
    软机器人支架用于撑开堵塞的血管,提供支撑和治疗,同时还能进行生物监测和药物输送。

技术发展方向

  • 驱动机制和材料创新开发更先进的驱动机制和材料,提高软机器人的性能和功能,如生物混合驱动和智能材料的应用。

  • 软机器人智能实现软机器人的自主感知、决策和行动,提高其适应性和灵活性,满足复杂的医疗应用需求。

  • 能源和可持续性研究高效、轻便的能源供应方式,减少能源消耗,同时开发可降解的材料,降低软机器人对环境的影响。

挑战

  • 制造工艺的优化:提高软机器人的制造精度和效率,实现大规模生产和个性化定制。

  • 生物相容性和安全性:确保软机器人在体内应用时的生物相容性和安全性,避免免疫反应和组织损伤。

  • 临床应用的转化:将软机器人技术从实验室研究转化为临床应用,需要解决临床验证、法规审批和市场推广等问题。

不同类型的可穿戴和植入式软机器人


软机器人的外感受和本体感受


软机器人的温度传感


软机器人的生化传感


软机器人的电生理传感


软机器人的多模态传感


上半身软可穿戴机器人

下半身软可穿戴机器人


软体机器人促进治疗


软假肢

软人机界面

软HMI应用程序


软机器人人造器官

功能化导管


软机器人生物电子学


局部刺激触发的不受束缚的软机器人


外部刺激触发的不受束缚的软机器人


软机器人支架


文章链接

doi=10.1021/acs.chemrev.4c00513



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