Adv. Mater.：“用磁场吹气球”实现医疗应用

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科技 2023-1-1 23:14 860人浏览 0人回复

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摘要

磁控软体呆板人是一种具有较好人机交互本领的新型呆板人，在医疗范畴的应用有着巨大的潜力。但是因为软材料的柔软性，导致此类呆板人无法进行有用储能，因而存在输出力较小、能量密度低的题目，无法满意诸多医疗手术

磁控软体呆板人是一种具有较好人机交互本领的新型呆板人，在医疗范畴的应用有着巨大的潜力。但是因为软材料的柔软性，导致此类呆板人无法进行有用储能，因而存在输出力较小、能量密度低的题目，无法满意诸多医疗手术需求。

克日，同济大学唐一超课题组与德国马克思普朗克研究所合作研发了一种基于相变机制的无线软体呆板人。在磁场的驱动下，这种呆板人可以对外部环境进行高能量密度输出，实现 70N的输出力和175.2 J/g的比功，在不捐躯柔软特性的基础上将磁控软体呆板人的比功提升了6到7个量级。别的，此软体驱动器可以通过可编程磁化，获取跳跃、蠕动等活动模式，为相关的医疗呆板人参与人体环境提供了可能性。在此基础上，本文通过动脉假体环境下游体打击实验验证了其良好的锚固和阻塞本领，并联合双稳态超材料套管，设计可进行折叠-睁开的双稳态支架，有望在更多医疗范畴进行相关应用。这项研究结果近期以“Wireless Miniature Magnetic Phase-Change Soft Actuators”为标题，发表于 Advanced Materials。

双源磁感应助力无线控制和高能量输出

本文利用“磁场吹气球”的机制提升磁控软体呆板人能量输出，即通过射频磁场长途加热软体腔内的液体，使其沸腾从而产生压强，实现高能量输出。具体来说，作者将液体包裹在含有四氧化三铁纳米颗粒的柔软材料外壳中，四氧化三铁在射频磁场作用下发热，使内腔液体沸腾成气态。别的，该软外壳由含钕铁硼颗粒的硅胶构成，在低频磁场下可进行可控移动。以上用到的射频磁场和低频磁场控制手段均具有无接触性，因此可以对驱动器进行长途无线控制。

图1：磁控相变机理

对该类呆板人而言，变形过程中渐渐积累的应变能拦阻了能量输出，因此本文采用最简单的单腔结构设计，并通过结构优化，降低呆板人在变形过程中的阻力，最大程度地把能量输入转换为能量输出。单腔设计使得毫米标准呆板人可以对环境产生70N输出力，最高比功到达175J/g，性能远超主流磁控软体呆板人。得益于此，该呆板人有潜力应用于血管阻塞。通过低频和射频磁场的交替驱动，呆板人可以活动至指定位置，在射频磁场鼓励下撑住血管并蒙受0.24米/秒的脉动流体打击（动脉血流速率为0.049-0.19米/秒）。

支架是医生解决心多类血管疾病的主要手段之一，如今的支架置入技术已经比力成熟，但这种技术需要借助导管运送，且支架一旦释放将永世停留在体内，无法进行重定位或接纳。本项研究将相变驱动器与双稳态形状影象套筒结构相联合，开发出一种在磁场控制下可以进行可逆睁开-闭合的支架结构，该结构利用相变材料和形状影象高分子对射频磁场的感应灵敏度的差异，实如今单一驱动信号下（射频磁场）支架可逆的折叠和睁开。

总的来说，该项研究利用简单的相变机制，大幅提升了磁控呆板人的比功和输出力，实现了微型医疗呆板人的性能跃进，间隔运用磁控微型呆板人技术解决实际世界的临床题目更近了一步。

同济大学唐一超传授和德国马普所李明通博士为该研究工作的共同第一作者；胡文琪传授和Metin Sitti传授为共同通讯作者。论文第一单元为同济大学。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204185