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史丹佛大學開發精準投藥、醫檢兩用毫米機器人

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科技產業資訊室 (iKnow) - 何思穎 發表於 2022年6月28日
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圖、史丹佛大學開發精準投藥、醫檢兩用毫米機器人

精準醫療技術創新毫米機器人
當人們想緩解頭痛或腹痛而吞下圓扁形錠劑的經驗,往往發現藥物並不是每次都能精準治療痛點。成藥(over-the-counter pills)治癒了多種疾病,但一直到最近生醫研究員才開始探索如何能在治療更複雜的病症(如:心血管疾病或癌症)時提高藥物的精確性。

而其中一個極具潛力的創新就是毫米機器人(millirobot)。這種指尖大小的機器人有望成為醫學界未來的救星­—透過爬行、旋轉和游泳等運動進入狹窄的通道,完成體內調查或藥物分配的任務。

史丹佛研究團隊開發磁性爬行機器人
史丹佛大學機械工程研究員趙芮可(Renee Zhao)目前正在同步設計許多不同的毫米機器人,其中包括一種磁性爬行機器人(magnetic crawling robot),在近期《科學進展Science Advances》的封面上可以看到這款機器人在胃裡蠕動的圖。該機器人的動力來自磁場,不僅可以連續動作,還可立即產生扭矩(torque)且改變機器人的運動方式,該款毫米機器人可以自行調整不同的運動狀態,並克服進入體內後遇到的障礙。史丹佛研究團隊僅僅通過改變磁場的強度和方向,就可以讓機器人在身體上暢行,一次跳躍的距離可達機器人自身長度的10倍。

以無線方式推進至體內特定位置後釋放高濃度藥物
磁致動(magnetic actuation)係這項研究的一個關鍵,為非侵入性手術提供了無繩控制(untethered control),並將控制單元與裝置分離,實現微型化。史丹佛研究團隊表示,他們近期於《自然-通訊Nature Communications》上發表的機器人,是該團隊所開發最堅固且最多功的無繩機器人」。

這款新「可旋轉無線兩棲折疊毫米機器人(spinning-enabled wireless amphibious origami millirobot)」如其名所示地具備多重功能。這是一個巧妙構思的單體(single unit),能夠在器官光滑且不平整的表面上快速行駛,並在體液中游泳,在運輸液體藥物時以無線方式推動自己。與吞下藥片或注射液體不同,這種機器人會扣住藥物,直到到達目的地並釋放出高濃度的藥物。

考量機器人原始狀態形狀、尺寸  開發多元醫療用途機器人
這款兩棲機器人的突破之處在於超越了大多數折疊式機器人只利用折紙的可折疊性來控制機器人變形和移動的設計。它除了透過折疊使機器人完成特定動作(以類似手風琴運作方式摺疊擠出藥物)之外,還考慮了在機器人在不進行摺疊動作(展開)時,每個折疊的形狀、尺寸對於機器人的剛性運動(rigid motion)之影響,讓機器人在展開的狀態也適合在環境中活動。周詳的考慮使研究員能在不增加體積的情況下從材料中開發更多的用途,且根據史丹佛團隊之研究,機器人設計中,單一結構能實現的功能越多,醫療過程所需的侵入性就越低。

搭配機器人幾何特徵  降低行進阻力、提升運輸所需吸力
這款機器人設計的另一個獨特面在於某些幾何特徵的組合。直通機器人核心的縱向孔和側面傾斜的橫向縫隙處減少了水的阻力,幫助機器人游得更順暢。史丹佛研究團隊表示:「這種設計使機器人透過負壓快速游泳,同時也為藥物的拾取和運輸提供吸力。」「我們充分利用這種小型機器人的幾何特徵,探索這種單一結構不同的應用及功能。」

與史丹佛大學醫學系專家討論後,趙實驗室(Zhao Lab)正在考慮如何通過新技術來改進目前的治療和程序。如果按照他們的方式進行,機器人將不僅只是提供方便且有效的配送藥物方式,還可以用來攜帶儀器或相機進入體內,改變醫生檢查病人的方式。該團隊正在研究使用超音波成像來追蹤機器人的去向,減少需要切開器官檢查的必要性。

設計最簡單 功能最多元的機器人
雖然在對最佳設計和影像的最佳作法有更多瞭解之前,我們仍無法在真實的醫療環境中看到史丹佛團隊所開發的這類毫米機器人被用於醫療檢查,但該實驗室在《自然–通訊》期刊中強調的第一個游泳機器人是目前的最接近市場階段的機器人,該款機器人目前正處於活體動物測試之前的試驗階段,在完成動物測試後,還要進行人體臨床試驗。

史丹佛研究團隊持續將各種將各種新穎智慧材料和結構相搭配,成為獨特的設計,最終形成新的生物醫學器材。該團隊還計畫進一步縮小機器人,以進一步在微觀層面上進行生物醫學研究。

史丹佛研究團隊努力開發功能最大化且最簡化的結構,此一兩用機器人便是範例,當其他摺疊機器人研究員普遍尚未考慮到幾何特徵的問題,史丹佛研究團隊已經將之充分考量並納入設計中。史丹佛研究團隊開始研究要如何與這些幾何特徵並行地運作,這是這款機器人研發的獨特之處,而它也會在生物醫學領域廣泛應用。(1691字;圖1)
 
 
參考資料:
Stanford engineers develop tiny robots to bring health care closer to precisely targeted drug delivery. Stanford, 2022/6/14.


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