首个毫米级机器水母诞生,未来或可在血管内“游泳”

来自德国马克斯-普朗克研究所（Max Planck Institute，MPI）的研究团队，近日造出了一种新型的无缆软体机器人，大小仅有几毫米，却具备运输和钻挖等多种功能。

该团队将机器人称为“水母机器人”（jellyfishbot），其设计灵感来自钵水母碟状幼体（scyphomedusae ephyra），研究表明，该机器人能够像真的水母一般，操控其周围的水流动，自身完成一系列操作。

多样的运动能力让该软体机器人在医疗领域有广阔的应用前景，同时也有助于进一步研究水母的运动形态。此外，该团队将在这一机器人的基础之上，开发更小、可生物降解的软体机器人，以在医疗领域得到实际应用。

该成果于 7 月 3 日登上了Nature Communication，论文通讯作者为来自 MPI 智能系统研究所 Metin Sitti 教授，团队成员包括 Wenqi Hu 博士、博士生董晓光、任子宇等。

Metin Sitti 教授认为，该研究的突破性意义体现在这是第一个水母机器人能在类似的尺寸条件下，模仿水母完成游动和捕食等动作。

图| 机器人设计示意图（来源：该研究论文）

软体游泳机器人在医疗和改善水体环境等方面有着广阔的应用前景。虽然目前已有能够游泳的微型机器人设计，但是随着机器人尺寸的缩小，让机器人具备诸如操控物体等高级功能仍是一项不小的挑战，主要原因在于机器人可以搭载的组件的尺寸有限。

Metin Sitti 所在团队想要解决的问题是在缩小机器人体积的同时，让其具备运动、捕捉和操纵微型物体的能力。这也是团队将水母作为机器人原型生物的原因。

图丨机器人携带小球翻过中间的障碍物（来源：该研究论文）

Metin Sitti 向 Deeptech 介绍，水母是最为常见、最节能且功能多样的软体游泳生物，就算在幼年时期，体积非常小、身体结构非常简单的时候，也能具备出色的行动能力，这给了团队很大的启发。

Metin Sitti 及同事参照这一模型，设计并制造了一种仅有几毫米大小的机器人，他们将一个磁性复合弹性体核（直径 3 毫米）与 8 个可弯曲的垂瓣连接在一起，施加振荡磁场后，这些垂瓣便会收缩再恢复，就像游泳的水母一样。

为了探究软体机器人与周围液体流动之间的关系，团队研究了机器人在多种不同的游泳模式下的表现。

例如，它们可以移动其柔软的身体，像真正的水母一样向上游动。

图|机器人向上游动（来源：Metin Sitti 教授）

在过往的水母状机器人的研究中，其他研究者的关注焦点主要是机器人的游动能力，而 Metin Sitti 则不满足于此。除了游泳，他们的机器人也能选择性地运输不同大小的球珠（这一过程则参考了水母捕食时的运动状态）、钻入球珠中逃避捕食者、混合不同的流体等。

图 | 水母机器人实现的四个功能：a）运输两种不同尺寸的球珠; b）在细珠池中模拟挖洞并寻找猎物; c）混合两种不同颜色的染料; d）产生不同的轨迹(generating a chemical path)（来源：该研究论文）

实验证明，模仿水母的设计让机器人在体积极小的情况下依然具备出色和多样的运动能力，让这款机器人在实际应用层面有很大的想象空间。

图 | 水母选择性带走大的球珠（来源：Metin Sitti 教授）

董晓光认为，一种可能的应用场景是，配合超声成像的指引，机器人可以在膀胱内游动，并与特定目标如肿瘤组织贴合，以进行长时间精准释放抗癌药物。”这将可能对患者带来巨大帮助，包括减少常规治疗可能带来的痛苦和提高治疗效率等。

这也是团队接下来的重点研究方向。Metin Sitti 告诉 DeepTech，在工程应用方面，团队将尝试把软体机器人应用到医疗领域。他透露，团队已经设计并制造了可以在膀胱内移动并进行精准送药的机器人原型。此外，他们还将使用这些软体机器人来有目的地堵住输卵管或血管，以达到避孕或其他治疗目的。重要的是，机器人在体内的运动是完全通过控制磁场变化远程操控的。

不过在实现这些目标之前，仍待解决的技术问题包括使用完全可生物讲解的材料，目的是为了让机器人在完成了特定任务后可在人体内降解，从而免去将机器人取回的过程。此外，团队还正努力将机器人进一步小型化，将其尺寸缩小至 100 微米以下，如此便能在人体血管内游动和工作。

Metin Sitti 表示，团队已获得相关资金支持，将这项机器人技术用在实际的医疗应用中。研究团队将会现在动物体内进行相关实验，最终目标是将其用在人类患者的疾病治疗中。