超越“前人”，僅7.8毫米！新型無線水陸兩用折紙機(jī)器人能翻能滾

談到機(jī)器人，我們腦海中浮現(xiàn)出的畫面，可能大多數(shù)是一些龐然大物，它們不太聰明地完成了一次又一次的重復(fù)性工作。

但是，事實(shí)并非這樣。

在機(jī)器人的世界中，還有一類特別?。ɑ蛟S只有納米級(jí)）、但非常靈活的微型機(jī)器人。它們不僅能夠在液態(tài)環(huán)境中行動(dòng)自如，完成拾取和運(yùn)輸物體等任務(wù)，而且還可以由磁場(chǎng)和光驅(qū)動(dòng)，具備非常高的速度、精確度和敏捷性。

由于體型小、功能多樣，微型機(jī)器人已經(jīng)成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，有望執(zhí)行各種任務(wù)，具有多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛能。

但是，現(xiàn)有折紙機(jī)器人需要復(fù)雜系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多功能性，而且運(yùn)動(dòng)模式有限，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)在陸地和水中的移動(dòng)。

如今，來自斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)解決了這一問題，他們研發(fā)出了一種新型無線水陸兩用毫米級(jí)折紙機(jī)器人。

據(jù)介紹，這個(gè)水陸兩用機(jī)器人，可以利用磁鐵和折紙折疊方式進(jìn)行多方向基于旋轉(zhuǎn)的移動(dòng)，在多種環(huán)境中移動(dòng)并執(zhí)行多種任務(wù)，比如受控的液體****物遞送和定向固體貨物運(yùn)輸?shù)取?br />
相關(guān)研究論文以“Spinning-enabled wireless amphibious origami millirobot”為題，發(fā)表在科學(xué)期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上。
來源：Nature Communications
研究團(tuán)隊(duì)表示，新型毫米級(jí)折紙機(jī)器人或在未來作為一種微創(chuàng)裝置，用于生物醫(yī)學(xué)診斷和治療。
越小、越簡(jiǎn)單，就越好
如果你曾經(jīng)吞過一個(gè)圓形****片，希望它能治愈你身體內(nèi)從胃痙攣到頭痛的一切疾病，那么你就知道，大多數(shù)****物并不是被設(shè)計(jì)為精準(zhǔn)治療某一部位的疼痛和疾病。

近幾十年來，盡管非處方****已經(jīng)治愈了許許多多的疾病，但科學(xué)家們也一直在探索能夠精準(zhǔn)治療心血管疾病、癌癥等復(fù)雜疾病的靶向****物的遞送方法，而微型機(jī)器人就是其中的重要方向之一。

與吞服****丸或注射液體不同，遞送****物的微型機(jī)器人會(huì)一直保留****物，直到到達(dá)目標(biāo)，然后釋放出高濃度****物。

在此次研究工作中，新型毫米級(jí)折紙機(jī)器人的截面直徑僅有 7.8 毫米，由 Kresling 折紙（三角構(gòu)成的空心圓柱體）樣式和附著的磁鐵盤構(gòu)成。

同時(shí)，利用 Kresling 折紙的折疊/展開能力，新型毫米級(jí)折紙機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)、翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，還可以通過泵送來遞送液體****物。

研究團(tuán)隊(duì)還強(qiáng)調(diào)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作提供的一種吸附機(jī)制可用于運(yùn)送貨物。

如下圖所示，新型毫米級(jí)折紙機(jī)器人具備沿著特定軌跡運(yùn)動(dòng)或遞送****物的能力。

圖｜水中的自適應(yīng)移動(dòng)
圖｜正在爬坡
圖｜水中定向運(yùn)輸液體****物
而且，新型毫米級(jí)折紙機(jī)器人無論是在水上、水面和水下，還是在充滿粘液的豬胃內(nèi)，都可以正常工作。

圖｜兩棲貨運(yùn)運(yùn)輸
圖｜在含有粘性液體的豬胃中運(yùn)動(dòng)
研究團(tuán)隊(duì)表示，此次研究工作的開創(chuàng)性在于，它超越了大多數(shù)基于折紙的機(jī)器人的設(shè)計(jì)，以往的設(shè)計(jì)僅僅利用折紙的可折疊性來控制機(jī)器人的變形和移動(dòng)方式。

除了研究折疊如何使機(jī)器人能夠執(zhí)行某些動(dòng)作之外，研究團(tuán)隊(duì)還考慮了每個(gè)折疊的確切形狀的尺寸如何影響機(jī)器人在未折疊時(shí)的剛性運(yùn)動(dòng)。

新型毫米級(jí)折紙機(jī)器人的另一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)是某些幾何特征的組合，中心的縱向孔和側(cè)面向上傾斜的橫向狹縫可以降低液體阻力，從而保證機(jī)器人更好地移動(dòng)。

據(jù)介紹，該機(jī)器人不僅可以提供一種有效分配****物的便捷方式，還可以用于將儀器或相機(jī)攜帶到體內(nèi)，從而改變醫(yī)生檢查病人的方式。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還致力于使用超聲波成像的方式來跟蹤該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，因而不需要切開器官。
期待下一個(gè) 10 年
機(jī)器人學(xué)是一門前瞻性學(xué)科，旨在幫助人類克服一系列重大的難題，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域。

去年 11 月，哈佛醫(yī)學(xué)院在一篇綜述文章中分析了 2010-2020 年期間醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域中的 8 個(gè)關(guān)鍵研究主題，并回顧了科學(xué)家們 10 年中在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域取得的眾多激動(dòng)人心的進(jìn)展。

8 個(gè)關(guān)鍵科研主題分別為：機(jī)器人腹腔鏡、用于微創(chuàng)手術(shù)的非腹腔鏡機(jī)器人、輔助穿戴式機(jī)器人、治療康復(fù)機(jī)器人、膠囊機(jī)器人、磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人、軟體機(jī)器人和連續(xù)體機(jī)器人。

圖｜8 個(gè)關(guān)鍵研究主題的臨床應(yīng)用示例（來源：Science Robotics）
其中，磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人技術(shù)正日趨成熟，工程和醫(yī)學(xué)論文呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但其發(fā)展趨勢(shì)在一定程度上取決于微型機(jī)器人的臨床應(yīng)用能否得到快速發(fā)展。

自 1990 年以來，在 19000 多篇關(guān)于醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的工程論文中，只有少數(shù)幾篇可以被認(rèn)為能夠用于現(xiàn)有的商業(yè)醫(yī)療機(jī)器人，即使是具有高技術(shù)影響力的論文，其專利引用數(shù)量也不多。

在某種程度上，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于技術(shù)開發(fā)與對(duì)應(yīng)商業(yè)應(yīng)用之間存在的嚴(yán)重滯后，或者是技術(shù)研究與醫(yī)療器械商業(yè)化現(xiàn)實(shí)之間的不匹配。

因此，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于臨床所需，不僅僅是撰寫被廣泛引用的研究文章，而是必須確定真正的臨床需要，必須開發(fā)相關(guān)技術(shù)來滿足這些需求。

當(dāng)前磁驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)表明，磁端導(dǎo)管和內(nèi)窺鏡的研究也正在回歸其根源，科學(xué)家或?qū)⒁愿〉囊?guī)模生產(chǎn)出比復(fù)雜的拉線或電機(jī)設(shè)備更經(jīng)濟(jì)的可操作醫(yī)療設(shè)備，它們可以無害地穿透整個(gè)人體。

下一個(gè) 10 年，我們或?qū)⒖梢钥吹酱膨?qū)動(dòng)機(jī)器人技術(shù)催化出更有效的醫(yī)療治療，從而加速商業(yè)落地與臨床應(yīng)用。

參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30802-w
https://news.stanford.edu/press/view/44011
https://mp.weixin.qq.com/s/woC7712grcw1IzHKLF6Pig