4D打印仿生蛇形软体机器人

学术背景

随着医疗技术的进步，无线微型机器人在生物体内的复杂血管网络中导航的能力备受关注。这些机器人能够在狭窄的空间中执行精准的医疗任务，如靶向药物输送、内窥镜检查和微创手术。然而，传统的微型机器人由于体积庞大、连接复杂，难以在狭窄的血管环境中灵活运动。为了解决这一问题，研究人员开始探索仿生设计，尤其是模仿蛇类的运动方式。蛇类以其高长宽比的身体和波浪式游动模式在液体环境中表现出卓越的机动性，这为设计能够在狭窄血管中导航的微型机器人提供了灵感。

论文来源

这篇论文由来自Sun Yat-sen University的Xingcheng Ou、Jiaqi Huang、Dantong Huang等研究人员共同撰写，发表于Bio-design and Manufacturing期刊，2025年1月10日在线发布。论文题为《4D-printed snake-like biomimetic soft robots》，旨在通过4D打印技术和磁响应智能墨水设计一种仿生蛇形软体机器人，用于在狭窄血管中进行药物输送。

研究流程与结果

1. 磁响应墨水的制备与优化

研究人员首先制备了一种磁响应智能墨水，将钕铁硼（NdFeB）磁性颗粒与未固化的聚合物（Ecoflex 00-10）按3:1的质量比混合。通过行星离心混合器均匀分散磁性颗粒，并去除气泡。墨水的流变学特性通过旋转流变仪进行测量，确保其在高剪切速率下具有良好的流动性和低剪切速率下的形状稳定性。通过调整打印压力和速度，研究人员优化了墨水的打印参数，确保能够打印出连续且直径可控的细丝。

2. 蛇形机器人的制造

研究人员使用自建的直接墨水书写（DIW）3D打印机，通过逐层沉积的方式制造蛇形机器人。机器人模型通过Unigraphics NX软件设计，并通过切片软件生成G代码控制打印路径。打印完成后，机器人通过强脉冲磁场进行磁化，使其能够在外部磁场控制下进行波浪式运动。

3. 运动控制与实验分析

研究人员开发了一种复杂的运动控制策略，利用3D亥姆霍兹线圈系统生成动态磁场，控制蛇形机器人进行多种运动，如直线游动、精确转弯、圆形运动和集群运动。通过高速摄像头实时监测机器人的运动，并使用开源软件Tracker分析运动数据。实验结果表明，蛇形机器人能够在不同磁场强度和频率下实现高效的波浪式游动，最高速度可达51.159 mm/s。

4. 药物输送实验

为了验证蛇形机器人在药物输送中的应用潜力，研究人员将药物模拟物（罗丹明B）包裹在机器人头部，并在模拟冠状动脉血管模型中进行导航和药物释放实验。实验结果显示，蛇形机器人能够在32°C的温水中快速导航至目标区域，并在7分钟内完成药物释放。

结论与意义

这项研究成功设计并制造了一种仿生蛇形软体机器人，通过4D打印技术和磁响应智能墨水实现了机器人的高精度制造和灵活运动控制。该机器人能够在狭窄的血管环境中高效导航，并实现精准的药物输送。这一创新设计为未来的微创医疗手术和靶向药物输送提供了新的工具，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 仿生设计：模仿蛇类的波浪式游动模式，设计出高长宽比的蛇形机器人，能够在狭窄血管中灵活运动。
2. 4D打印技术：利用4D打印技术制造出具有磁响应特性的软体机器人，实现了高精度和可定制的制造。
3. 磁控运动：通过动态磁场控制，机器人能够实现多种复杂运动，如直线游动、转弯和集群运动。
4. 药物输送应用：实验验证了蛇形机器人在模拟血管环境中的药物输送能力，展示了其在医疗领域的应用潜力。

其他有价值的信息

研究人员还开发了一种基于有限元分析（FEA）的模型，用于模拟蛇形机器人在磁场中的行为。通过编程磁各向异性，研究人员能够预测机器人在不同磁场条件下的变形模式，为机器人的设计和优化提供了理论支持。

这项研究不仅推动了仿生软体机器人技术的发展，还为未来的医疗应用提供了新的可能性。