軟體機(jī)器人技術(shù)正成為醫(yī)療健康領(lǐng)域的顛覆性趨勢。這項技術(shù)提供了能夠精確適應(yīng)生物環(huán)境的微創(chuàng)醫(yī)療工具。

標(biāo)題圖：油墨和基質(zhì)材料的流變特性和打印行為。圖片來源：《An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots》

與傳統(tǒng)剛性機(jī)器人不同，由水凝膠和形狀記憶聚合物等柔性材料制成的軟體機(jī)器人能夠高度模仿人體組織特性（圖1）。

圖1：在體外和體內(nèi)經(jīng)過驗證的水凝膠基連續(xù)體軟體機(jī)器人包括：（a）用于靶向藥物遞送的磁控微型機(jī)器人；（b）用于精準(zhǔn)治療輸送的微米和納米級機(jī)器人；（c）用于實時監(jiān)測的仿皮膚水凝膠傳感器；（d）用于可穿戴應(yīng)用的基于紡絲設(shè)計的可編織水凝膠纖維機(jī)器人。圖片來源：《Hydrogel-Based Continuum Soft Robots》

因此，它們能夠在人體內(nèi)進(jìn)行幾乎無創(chuàng)傷的操作，大幅降低損傷風(fēng)險，同時顯著提高治療精準(zhǔn)度。此外，材料科學(xué)和微加工技術(shù)的進(jìn)步顯著使它們的功能和臨床應(yīng)用得到極大拓展。

水凝膠：自適應(yīng)刺激響應(yīng)型驅(qū)動器

在眾多軟體材料中，水凝膠憑借其高含水量、超軟特性和卓越的生物相容性脫穎而出。它們在軟體機(jī)器人領(lǐng)域尤其有價值，因為它們能夠?qū)囟?、pH值、光和磁場等外部刺激做出響應(yīng)，因此無需電機(jī)或機(jī)械關(guān)節(jié)即可實現(xiàn)可編程變形。此外，水凝膠系統(tǒng)還可通過自主響應(yīng)設(shè)計增強(qiáng)其在動態(tài)生物環(huán)境中的功能。例如，研究人員開發(fā)了一種可生物降解的磁性水凝膠機(jī)器人，可通過切換運(yùn)動模式來遞送化療藥物。同樣，超聲響應(yīng)水凝膠可通過穩(wěn)定干細(xì)胞和對抗氧化應(yīng)激來促進(jìn)骨愈合，其作用機(jī)制依賴于聲學(xué)刺激。這些創(chuàng)新凸顯了水凝膠驅(qū)動器的多功能性及其在精準(zhǔn)醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的治療潛力。

圖2：軟體機(jī)器人的制造技術(shù)。圖片來源：《Emerging soft medical robots for clinical translations from diagnosis through therapy to rehabilitation》

仿生設(shè)備在臨床中的應(yīng)用

除了驅(qū)動特性外，水凝膠在仿生軟體設(shè)備中也發(fā)揮著重要作用（圖2）。例如，由明膠基水凝膠制成的軟體微機(jī)器人展現(xiàn)出了穿透血腦屏障的能力，這是傳統(tǒng)藥物載體難以企及的壯舉。它實現(xiàn)了膠質(zhì)瘤化療藥物的局部遞送，提高了療效并最大限度地降低了全身毒性。此外，水凝膠基可穿戴設(shè)備如今已可監(jiān)測運(yùn)動和壓力，為患者的物理治療和康復(fù)過程提供幫助。這些系統(tǒng)不僅可以檢測應(yīng)變和形變，還可為受控運(yùn)動提供反饋。因此，水凝膠集成式可穿戴設(shè)備有助于臨床診斷和康復(fù)。

制造和驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步

為應(yīng)對復(fù)雜的醫(yī)療任務(wù)，研究人員正加速轉(zhuǎn)向3D和4D打印技術(shù)，借此構(gòu)建能響應(yīng)環(huán)境刺激改變形狀或功能的精密水凝膠結(jié)構(gòu)。其中，4D打印水凝膠在植入后可膨脹或收縮，因此可在創(chuàng)口封閉和組織支架等應(yīng)用中大顯身手。在驅(qū)動控制方面，目前采用的是多模態(tài)控制機(jī)制。例如：磁場可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，光和熱則能實現(xiàn)精準(zhǔn)的空間激活，而化學(xué)刺激（包括pH值變化）尤其適用于腫瘤微環(huán)境等特定部位的靶向驅(qū)動。通過整合多種控制方式，工程師們成功創(chuàng)建出響應(yīng)能力更強(qiáng)的可調(diào)控系統(tǒng)。

臨床轉(zhuǎn)化和行業(yè)興趣增長

值得注意的是，該領(lǐng)域在學(xué)術(shù)界和商業(yè)領(lǐng)域均發(fā)展迅速。例如，軟體機(jī)器人領(lǐng)域的出版物數(shù)量從2005年的僅20篇激增至2024年的近600篇，反映了研究活動呈爆發(fā)式增長。與此同時，受達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)和新興軟體機(jī)器人工具等創(chuàng)新技術(shù)的推動，相關(guān)專利申請量在2016年已接近1萬項。因此，軟體機(jī)器人的應(yīng)用范圍已從手術(shù)室拓展至診斷、治療及家庭康復(fù)系統(tǒng)。

醫(yī)療領(lǐng)域的軟體未來

總而言之，水凝膠基軟體機(jī)器人正在重新定義醫(yī)學(xué)診斷、治療和康復(fù)的模式。憑借其柔軟性、適應(yīng)性和響應(yīng)能力，這類機(jī)器人能在人體內(nèi)安全高效地執(zhí)行任務(wù)。隨著制造工藝的完善和監(jiān)管路徑的明晰，它們必將成為個性化微創(chuàng)護(hù)理領(lǐng)域不可或缺的工具。軟體材料與智能驅(qū)動的融合不僅代表著一種趨勢，更標(biāo)志著醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的范式革命。

本文翻譯自Plastics Engineering
作者：Juliana Montoya

來源：榮格-《國際塑料商情》

原創(chuàng)聲明：
本站所有原創(chuàng)內(nèi)容未經(jīng)允許，禁止任何網(wǎng)站、微信公眾號等平臺等機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)載、摘抄，否則榮格工業(yè)傳媒保留追責(zé)權(quán)利。任何此前未經(jīng)允許，已經(jīng)轉(zhuǎn)載本站原創(chuàng)文章的平臺，請立即刪除相關(guān)文章。