Embedded 3D-Printed Magnetic Shape-Memory Robots with Frequency-Separated Control for Wireless Luminal Support
本文介绍了一种通过嵌入式3D打印制造的无导管血栓切除机器人，该机器人利用磁性形状记忆晶格，通过频率分离的磁控制实现无线导航和原位机械部署，而无需车载电子设备或充气元件。
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在人体内部，血管并非笔直、开阔的高速公路。它们是狭窄、蜿蜒的隧道，不断扭转、转向，并分支成越来越小的通道。当血块阻塞其中一个精细的通道时，医生必须引导一种微型工具穿过这片迷宫以清除阻塞。传统上，这需要一根被称为导管的长而柔软的管子，将工具引导至目标部位。然而，在血管系统最复杂和扭曲的部分，这些管子可能难以转弯或到达最深处。工程师面临的挑战是创造一种既足够小能滑过这些急转弯，又足够强壮能在到达后扩张并撑开血管的装置。解决这一问题需要一种能够在没有任何电线、电池或内部电机驱动的情况下，根据指令改变形状的机器。
研究人员开发出一种新型微型机器人，通过将两种截然不同的功能结合到单个无导线设备中，解决了这一难题。他们创造了一种晶格结构，类似于微观的、开放式框架的圆柱体，该结构既可以被引导穿过蜿蜒的路径，又可以被触发以扩张成支撑性的支架。这项发明的关键在于机器人的制造方式及其控制方式。机器人并非在空气中制造，因为其纤细脆弱的支柱会在自身重量下坍塌；相反，它是直接在一种特殊的凝胶状浴液中打印的，这种浴液充当临时支撑。这种浴液在机器人形成过程中将其固定在原位，从而能够制造出原本无法制造的复杂开放形状。一旦打印完成，只需通过冷却浴液使其从凝胶变为液体，即可释放机器人，使精细的结构保持完整。
机器人本身由一种含有微小磁性颗粒的特殊塑料混合物制成。这些颗粒具有双重用途，既作为转向手柄，又作为加热元件。为了移动机器人，研究人员使用稳定的磁场将其沿特定路径拉动，就像指南针针尖对准磁铁一样。这使得紧凑、折叠状态下的机器人能够被引导穿过模拟的血管网络，在不被卡住的情况下通过急转弯和分支点。一旦机器人到达目标位置，团队就会切换到另一种类型的磁信号。通过施加快速交变的磁场，塑料内部的磁性颗粒会产生热量。这种热量足以触发机器人材料特性的变化。
当机器人受热时，它会“记住”其原始的、更大的形状。它会立即向外扩张，压向血管壁以提供支撑，同时保持其长度。这种扩张过程无需任何充气气囊或机械臂。研究人员发现，通过调整塑料墨水中的成分，可以精确调节机器人的行为。通过改变特定软化剂的含量，他们可以设定机器人扩张的确切温度，确保其在运输过程中保持稳定，并在需要时快速激活。他们还调整了不同塑料组分的比例，以控制机器人恢复形状的速度。磁性颗粒的数量经过精心平衡，以确保机器人产生的热量足以触发这种变化，而不会变得过重或难以打印。
团队证明了这一单一设备可以执行医疗程序所需的整个任务序列。他们成功地引导折叠状态下的机器人穿过打印的血管网络模型，使其转向曲线并进入特定的分支。到达目的地后，他们施加交变磁场，使机器人径向扩张并填满空间，有效地模拟了支架的功能。由于导航和扩张是由磁性颗粒对不同物理响应所控制，这两个指令互不干扰。该机器人不需要车载电子设备、无需连接导线，也没有内部电源。这项工作为制造和控制微型、无绳机器建立了一种新方法，这些机器未来有望在人体内最难以到达的区域提供机械支持，为目前依赖笨重输送管的方法提供潜在的替代方案。
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