近期，北京理工大学刘晓明教授团队联合北京大学第一医院金汉教授团队，在Cardiovascular Innovations and Applications杂志上发表了一篇题为《A Flexible Magnetic Soft Continuum Robot for Manipulation and Measurement at Micro Scale》的原创研究，介绍了一种磁性软体连续机器人，该机器人可以实现对微型磁器械以及生物胚胎的操作，并可进一步实现机械特性的测量。

图一：磁性软体连续机器人示意图

心脑血管疾病发病率高、致残率高、病死率高，给个人、家庭和社会带来巨大的精神压力和沉重的经济负担。研发出针对心脑血管疾病中的疑难问题，如顽固性心衰、复杂血管病变等的精准诊疗方式，具有重要的临床和社会经济意义。血管介入技术是心脑血管疾病诊疗的常规手段，但目前的血管介入技术主要是通过导管引导介入植入耗材，对较远段的病变实施微创性治疗，手术操作多依赖于术者的经验和技术。对于目前的血管介入以及电生理手术而言，缺少精准化、量化、半自动或全自动化的手术理念。

文章提出一种基于磁场驱动的软体连续微型机器人，其不仅具有出色的控制和转向能力，理论上可实现精确的血管内微型器械的精细操作，同时，该机器人系统还可以对生物细胞进行操作，并实现机械特性测量的目的。

本研究介绍的微机器人由三个部分组成：软体部分、灵活部分以及磁末端。软体部分的材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS），为主要的结构；磁末端由PDMS和钕铁硼组成，使机器人具有磁性；灵活部分由硅胶制作而成，硅胶具有更大的弹性特性，因此微机器人的末端可以实现更大的弯曲变形。磁驱动方法的原理为：磁性物体在匀强磁场下会受到磁转矩的作用，让它本身磁矩的方向与磁场方向对齐。磁驱动系统由亥姆霍兹线圈和一个永磁铁组成，亥姆霍兹线圈为磁末端提供均匀的振荡磁场，永磁铁为磁末端提供方向磁场。微型机器人的磁末端根据磁场进行转向和振动移动，由于机器人是软的，可以使身体灵活弯曲到270°，这使其能够在复杂的环境中灵活转向，前期的体外测试证明了其驱动微型磁器械的能力。

研究还介绍了微型机器人的生物应用场景。为了模拟人体血管介入中的精准操作和机械测量，微机器人被用来操作和测量斑马鱼细胞。在操作斑马鱼细胞的过程中，微机器人通过同时振动和拉动微机器人的磁尖来运动，采用永磁体控制微型机器人磁末端的转向，磁末端可将斑马鱼细胞推送到预期位置。另外，微机器人系统通过施加磁场驱动磁末端挤压斑马鱼细胞，斑马鱼细胞在磁末端的挤压下发生变形，根据施加的磁场力和变形量可以计算出斑马鱼细胞的杨氏模量，此功能可用作血管中生物组织的力学特性的测量，从而用于血管疾病的早期诊断。

图二：机器人操作斑马鱼细胞示意图

总的来说，本研究涉及的磁性微机器人系统在磁器械、生物细胞操作和机械特性测量中的表现使其在心血管精准干预中具有良好的潜在应用可能性。磁性软体机器人的技术也为未来的介入手术机器人研发提供了新的思路。

原文链接：

https://www.scienceopen.com/hosted-document?doi=10.15212/CVIA.2023.0067