科学家研究表明,人类大脑内的血管总长度达到16公里,血管又细又曲折,管壁还很脆弱。一旦发生血管栓塞等脑血管疾病,为防止血管壁破裂,医生要足够精确地将导管插入指定位置,因此,脑血管疾病对医生的经验要求很高。在医疗资源匮乏的地区,患者想要得到及时治疗非常困难。
此次,麻省理工学院研究团队研发出一种新型机器人:磁控线性机器人,这种机器人有望在患者发病90分钟的“黄金时间”内使患者得到及时治疗,避免造成永久性脑损伤。此项技术的相关研究已经发表于最新一期的Science Robotics。这种细长柔软的线状机器人,要想在狭窄曲折的血管中自由穿梭,要克服种种困难。
对于普通的导丝来说,摩擦力太大,就算在外导丝外涂上降低摩擦力的聚合物,也会很容易卡在狭窄的血管中,破坏血管的内壁。为此,团队选择了柔软有弹性的、镍钛合金的油墨作为机器人内在的材质。为了让机器人在血管内“畅通无阻”,团队研究人员在镍钛合金上涂了一层水凝胶。这种特殊的涂料使机器人拥有光滑的表面,很大程度上降低了摩擦力,使其可以在血管内自由穿行。另外,水凝胶的生物相容性,对人体也更加友好。
普通机械驱动的方式灵活性不强,很容易破坏血管的内壁,为解决这个问题,团队想到了磁力控制,在柔软有弹性的镍钛合金油墨里,加入了钕铁磁。机器人感受到不同的磁场,头部可以快速转向,实现不同程度的转弯。
解决了材质和驱动问题后,如何将材料变成机器人呢?此线状机器人是用3D打印技术制作。由于3D打印技术不需要通过加热来溶解油墨,磁化后的油墨在加压后能轻松挤出,并且保持形状,从而形成一条线。此外,为了防止钕铁磁与水凝胶交界处被腐蚀,研究团队在钕铁磁周围涂上了一层薄二氧化硅。二氧化硅壳厚约10nm,能有效地抗击腐蚀。
此项技术的研究人员来自麻省理工学院华人教授赵选贺的团队:赵选贺教授2009年在哈佛大学拿下博士学位后,到麻省理工大学担任教授,致力于软材料、生物电子学的研究。本论文的一作Yooho Kim是赵选贺教授的学生,研究方向包括软活性材料的制造与设计,软材料力学,以及用于生物医学应用的非常规软机器人。
线状机器人为脑血管疾病患者带来了福音,但是团队一作Yoonho Kim表示,机器人还在进化中,团队希望机器人可以实现远程控制,医生不必靠近放射源,也能在复杂血管中进行手术。这样一来,医生不必承受射线辐射带来的困扰,而且在医疗资源匮乏的地区,患者也能得到及时治疗。