海南橱柜台面胶 米粒大小的手术机器人问世，自带5种手术动作，1秒切换不同

1966 年，美国上映了部名为《奇旅程》的科幻电影，影片中被缩小成微米别的五名医生被注射到患者体内进行管手术。时至今日，电影中的虚构桥段正在走进现实世界，只不过在体内疗的是"微型机器人"。

"微型机器人"其实是个统称，其涵盖了尺寸从 1 微米（约为人类头发丝直径的 1/100）到数毫米的机器人，而机器人的尺寸小于 1 微米则称之为"纳米机器人"。

因体积小巧、灵活，微型机器人被认为是未来创或微创手术的主要解决案。尤其是磁控微型机器人，因为磁场可以害地穿透人体组织，且能控制。

目前主要包括两类磁控微型机器人。类具有粘液或液体基的身体，这类机器人的身体太软，法输出足够的力来进行切割等手术操作，且可能会在人体内留下残留物。如果想让它们变硬，通常需要强的磁场，或者需要加热到 60 ℃ 以上，可能致患者体内细胞死亡。

二类具有固体弹体的身体，虽然不会有残留且可以远距离控制（小于 30 厘米），但因为受限于单的磁化式，它们多只能具备两种手术。此外，大多数此类机器人只能实现 5 个自由度的运动，很难在人体复杂的环境中自由穿行。

近日，新加坡南洋理工大学   ( NTU ) 的研究人员开发了个 4.4mm、拥有 6 个自由度的软体微型机器人，不仅能在复杂环境中灵活移动，还能通过磁场重新编程，在体内做 5 种手术动作，包括释放药物、切割生物组织、抓取和存储生物样本以及远程加热。切换这些只需不到秒的时间。相关文章发表在 Advanced Materials 期刊。

这项研究的是南洋理工大学机械与航空工程学院的教授 Lum Guo Zhan（林国展）。过去十多年里，他直耕于微型机器人域。

2021 年，他的团队在 Advanced Materials 发文，成功解决了长期困扰微型磁控软机器人的运动学瓶颈。团队通过优化机器人内部的磁化分布，次实现了完整的 6 个自由度，这意味着该机器人能够在横滚、俯仰和偏航三个维度上自由旋转。

（来源：NTU）

为了破解现有磁控微型机器人的局限，研究团队设计了智能磁复材料。也就是让机器人内部包含多种具有不同矫顽力、刚度和响应频率的磁物质。有些部位磁强、容易被重新磁化 / 退磁；有些部位磁不会轻易被改变，比较稳定。（注：矫顽力是磁材料的特之，是指在磁材料已经磁化到磁饱和后，要使其磁化强度减到所需要的磁场强度。）

这些物质主要包括钕铁硼（NdFeB）磁微粒，钕铁硼被誉为"磁"，具有的磁和矫顽力（达到 93.3 – 614 mT） 。机器人的主体执行部件、重编程模块以及用于运动的触手，都掺入了这种微粒。

二是四氧化三铁（Fe ₃ O ₄）纳米颗粒，被门用于机器人顶部的远程加热组件中 ，负责发热做热疗。

部分材料可以在 60 – 65 mT 的磁场作用下被可逆地磁化和消磁；而其他具有磁矫顽力的区域，则不会受到这种磁化和消磁过程的影响。通过这种差异化的材料布局，机器人可以被随时随地且安全地重新编程，切换工作模式。

机器人的材质主要是硅胶类软材料，包括 PDMS（聚二甲基硅氧烷）与 Ecoflex 00-10（种软硅胶）。前者是种刚度相对较的医用分子聚物，用它来制作机器人主体内部的磁化组件以及六自由度增强模块。较的刚度确保了这些执行部件在发力切割或抓取时，具有足够的支撑力和骨架强度，不会软塌塌地变形；后者是种其柔软且富有弹的材料，被门用来制作机器人负责运动的柔软触手。

在设计上，研究团队采取了对称设计，这种设计确保了机器人在执行某项特定时，只有对应的部件会被激活，而其他部件会保持不动，互不干扰。

研究人员用这种智能磁复材料构建的机器人主要由四个部分组成：主体、两根软触手、可重新编程模块，以及顶部的远程加热组件。 由于尺寸微小，研究人员需要在显微镜下组装。

主体包含三根可变形的软梁海南橱柜台面胶，像小手臂，负责执行给药、切割、抓取、存储；两根软触手负责走路、爬行、翻滚；可重编程磁模块是重要的部位，负责各之间的快速切换；远程加热模块具有局部热疗。

图 | 软体微型机器人（来源：上述论文）

当施加特定的交变磁场让"可重编程模块"消磁时，机器人便进入了运动模式。

在这个模式下，机器人拥有完整的 6 个自由度。不仅可以在三维空间中沿 X、Y、Z 轴平移，还能绕着三个轴自由旋转。

团队为其开发了两种主要步态：滚动，在空旷地带，PVC管道管件粘结胶它可以快速滚动，甚至可以选择横向或纵向滚动来挤过狭窄的缝隙。双锚点爬行，面对陡坡或形状复杂的障碍物，它可以像毛毛虫样，利用触手交替作为锚点进行其稳定的爬行越障。

旦机器人通过运动模式到达了体内的指定病灶，通过施加个瞬间的 60 mT 均匀磁场，就可以改变可重编程模块的磁角度，从而切换到不同的手术。

当磁矩角度被设定在 90 ° 时，机器人进入给药模式。在特定磁场的驱动下，机器人主体内的两根软梁会发生形变，像开门样开内置的药物舱，释放内部装载的药物（如化疗药物胶囊），这种靶向递送比传统的液循环给药率出许多倍。

当角度被设定为 330 ° 时，机器人进入切割模式。隐藏在机器人体内的微型刀片会被缓慢出。研究团队在真实的鸡肝组织和生物明胶上进行了测试。结果发现，机器人不仅能稳稳地将锋利的切刀刺入组织，还能通过旋转自身来拉伸组织并完成度切割。其人化的是，这把微型手术刀平时是安全隐藏在机器人体内的，不担心在移动过程中划伤健康组织。

图 | 软体机器人可以可逆地从其运动模式重编程到其他模式（来源：上述论文）

将磁矩设定为 210 ° 向，机器人进入抓取模式。机器人可以伸出抓手，不仅能帮助调整待切除组织的角度，还能将切下的组织（用于活检）紧紧抓起。

存储与抓取模式配，机器人可以将抓取到的生物样本拉入自己的主体内部妥善保存。此时如果切回运动模式，抓手会锁定，确保在体内运输样本时不会掉落。

而机器人的热疗，可以与上述任何模式同时或立进行。在这个中，当医生施加个频率、中等强度的交变磁场时，由于磁场变化得实在太快，机器人的机械部件根本来不及做出任何物理变形反应。但是，机器人顶部的四氧化三铁（Fe ₃ O ₄）颗粒却能在此频下产生强烈的电磁感应发热。

实验表明，机器人能在 35 秒内，将其顶部温度精确升到 40 ℃，它足以对病变细胞进行热疗，同时又能保证配使用的化疗药物不会因温而失。令人惊讶的是，发热范围被其严格地限制在机器人周围半径 5.78 毫米的小区域内，不会对周围正常的生理器官造成热损伤。

为了验证该机器人走向临床的可能，团队进行了大量模拟真实人体环境的测试。

图 | Lum Guo Zhan（左）（来源：NTU）

细胞毒实验证明，接触该机器人的匿名人类成纤维细胞的存活率达 99 以上，与对照组几乎异，具有的生物相容。

其次，为了满足临床手术规范，机器人还在压灭菌锅中经受了 121 ℃、15 分钟的菌处理。灭菌后，丝毫没有受到影响。还能在人工成尿液中稳定地完成爬行、滚动、切割和给药等动作。它甚至能在较强的水流和气流中紧紧抓住目标不松口。

研究人员还报告称，该机器人在经过 100 次磁化和退磁循环后，仍能保持其磁和机械稳定。

关于未来的发展，研究人员构想了两种其科幻的应用场景。

，胃肠道疗，可以将机器人冻在个冰块里让患者吞下，冰块在胃里融化后，机器人在胃肠道内完成给药，完工后随消化道自然排出或从口腔回收。

二，脑部创手术，理论上可以将机器人进步缩小到 2.5mm 长。届时，可以将其注射到患者的脊髓中，让它顺着脑脊液游入大脑处执行其复杂的脑部手术，然后再沿着脊柱原路返回并取出。

目前，研究人员正在探索如何将机器人与医学成像系统、传感器和人工器官模型集成。他们还计划与外科医生作，了解此类系统如何融入未来的临床工作流程。

参考链接：

1.https://www.ntu.edu.sg/engineering/news-and-events/news/detail/robot-surgery

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2.C. S. X.Ng, Y. X.Yeoh, N. Y. W.Foo, K.Radhakrishnan, and G. Z.Lum, " Miniature Soft Robot With Magnetically Reprogrammable Surgical Functions. " Advanced Materials ( 2026 ) : e23056. https://doi.org/10.1002/adma.202523056

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