機(jī)器人是一種可編程、能執(zhí)行某些操作或移動(dòng)動(dòng)作的自動(dòng)控制機(jī)械。隨著微米、納米、微電子機(jī)械技術(shù)、微型機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，機(jī)器人也逐漸變得越來(lái)越微小，為科學(xué)家發(fā)明可以在人體內(nèi)使用的微型機(jī)器人創(chuàng)造了條件。體內(nèi)微型機(jī)器人可以在人體管腔和液體介質(zhì)內(nèi)“游動(dòng)”，以完成某些疾病的診斷和治療任務(wù)。

包括雙光子光刻、噴墨技術(shù)在內(nèi)的3D打印技術(shù)在制造體內(nèi)微型機(jī)器人中發(fā)揮了重要作用。我們一起了解幾個(gè)3D打印的體內(nèi)微型機(jī)器人。

3D打印塑造外形 磁場(chǎng)或化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力

成功運(yùn)輸腎細(xì)胞的微型機(jī)器人

《在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)/The Royal Society of Chemistry》雜志上，曾發(fā)表過(guò)一篇名為《3D打印微型游泳者和生物混合機(jī)器人的應(yīng)用/Applications of Three-dimensional (3D) Printing for Microswimmers and Bio-Hybrid Robotics》的研究論文。

研究人員使用雙光子光刻技術(shù)3D打印技術(shù)制造出了一個(gè)微米級(jí)的微型機(jī)器人Microswimmers。該文探討了利用3D打印技術(shù)制造微型機(jī)器人所面臨的現(xiàn)實(shí)和挑戰(zhàn)。研究人員利用microswimmers進(jìn)行試驗(yàn)，并檢驗(yàn)他們?cè)诓煌?lèi)型的液體和細(xì)胞環(huán)境中應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的能力。

在研究中，微型機(jī)器人在十分粘稠的環(huán)境中表現(xiàn)的非常成功，在對(duì)微型機(jī)器人進(jìn)行的進(jìn)一步試驗(yàn)中，它們能夠像細(xì)菌那樣旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并可以攜帶“貨物”。研究團(tuán)隊(duì)由此受到啟發(fā)，使用同樣的3D打印技術(shù)制造出了螺旋形的微型貨船機(jī)器人，這種微型機(jī)器人表面涂覆了鎳和鈦，外形都為六面體和筒狀。研究中，研究人員給這些微型貨船機(jī)器人的運(yùn)輸任務(wù)是運(yùn)送人體腎細(xì)胞，它們成功完成了任務(wù)。

120微米的微型魚(yú)

美國(guó)加州大學(xué)納米工程系的科學(xué)家曾3D打印出120微米的微型機(jī)器人微型魚(yú)(microfish)。這種機(jī)器人可以通過(guò)磁力和化學(xué)反應(yīng)來(lái)控制方向和速度，具有在生物和非生物液體中游泳的能力?？茖W(xué)家能夠?qū)⑦@些微型魚(yú)放入過(guò)氧化物溶液中游泳長(zhǎng)達(dá)2小時(shí)，在室溫下的存放時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一個(gè)星期。

美國(guó)加工大學(xué)科學(xué)家制造微型魚(yú)的技術(shù)是一種納米級(jí)的快速3D打印技術(shù)，稱(chēng)之為微尺度連續(xù)光打印(μCOP，Microscale Continuous Optical Printing)。微尺度連續(xù)光打印(μCOP)技術(shù)主要依賴(lài)一種數(shù)字微鏡裝置(DMD)芯片，并使用大約2百萬(wàn)個(gè)微型反射鏡，將UV光投射到光聚合物材料上。通過(guò)類(lèi)似DLP SLA的3D打印技術(shù)，對(duì)打印材料進(jìn)行逐層固化。該技術(shù)使科學(xué)家們能夠制造出各種形狀的微型魚(yú)(蝠鲼，鯊魚(yú)等)，而且只有120微米(長(zhǎng))×30微米(厚)。最重要的是，這些微型魚(yú)只需幾秒鐘就能制造出來(lái)。

為了能夠以一種經(jīng)濟(jì)和可擴(kuò)展的方式3D打印出精細(xì)而逼真的人造微型魚(yú)，科學(xué)家優(yōu)化了μCOP打印系統(tǒng)?？茖W(xué)家們已能夠使用三種不同的功能性納米粒子制造出微型機(jī)器魚(yú)，包括氧化鐵(可通過(guò)磁性引導(dǎo)微型魚(yú))、鉑(可通過(guò)化學(xué)引導(dǎo)機(jī)器魚(yú))，和聚二乙炔(PDA，可用于中和有害的毒素)。

微型火箭機(jī)器人

英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的科學(xué)家們利用噴墨3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)微型火箭機(jī)器人。它的應(yīng)用前景是藥物運(yùn)輸和定位癌細(xì)胞。

在火箭機(jī)器人誕生之前，現(xiàn)有的微型機(jī)器人通常是由聚苯乙烯粒、碳納米管或金屬材料制造的。它們獲得的推動(dòng)力來(lái)自于機(jī)器人身體上分布的催化劑，常見(jiàn)的催化劑是鉑。這些材料制造成本高，并且制造難度大。而微型火箭機(jī)器人并不是依靠鉑金屬來(lái)獲得推動(dòng)力的。那么，它是如何在體內(nèi)游動(dòng)的呢?原來(lái)發(fā)生在打印材料間的化學(xué)反應(yīng)發(fā)揮了重要作用。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的研究人員使用一臺(tái)噴墨式3D打印機(jī)將溶解的蠶絲和過(guò)氧化氫酶混合液體逐層沉積，甲醇也同時(shí)被逐層沉積。甲醇將與混合溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而促進(jìn)形成剛性的火箭形狀。過(guò)氧化氫酶隨后與燃料分子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生推動(dòng)火箭前進(jìn)的氣泡。

研究人員表示，由于蠶絲和過(guò)氧化氫酶都是可生物降解的物質(zhì)，這樣的微型火箭機(jī)器人具有更好的生物相容性，所以將他們應(yīng)用于人體內(nèi)的藥物運(yùn)輸和癌細(xì)胞定位更加安全。噴墨3D打印技術(shù)的作用是制造出火箭機(jī)器人的形狀，控制游泳方式，讓科研人員在生產(chǎn)前對(duì)火箭機(jī)器人所進(jìn)行的數(shù)字定義得以實(shí)現(xiàn)。

微型火箭機(jī)器人的相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在Small 雜志中，題目是：Reactive inkjet printing of biocompatible enzyme powered silk micro-rockets。