隨著功能性納米材料、納米催化、微納加工技術(shù)等納米科技的飛速發(fā)展，為機(jī)器人技術(shù)和微納生物學(xué)/納米醫(yī)學(xué)之間的結(jié)合，找到了一條可行路徑，微納米機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。因其體積小、可無(wú)線操控、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，在疾病診斷、靶向藥物送、微創(chuàng)手術(shù)、生物傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
工業(yè) 4.0趨勢(shì)和生產(chǎn)流程自動(dòng)化一直在不斷推動(dòng)微納米機(jī)器人在工業(yè)環(huán)境中的部署，據(jù)FMI（Future Market Insights）的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，2023年全球微型機(jī)器人市場(chǎng)估值達(dá)到了317.3億美元，預(yù)計(jì)2033年將達(dá)到1591.7億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為17.5%（2023-2033）。
根據(jù)材料不同，微納米機(jī)器人可分為人工型、生物型、生物混合型三種。其中生物混合機(jī)器人（biohybrid robots）具有高能量轉(zhuǎn)換效率和生物相容性的特征，通常作為驅(qū)動(dòng)器的活體生物，預(yù)計(jì)將在全球微型機(jī)器人市場(chǎng)繼續(xù)受到關(guān)注，2023 年至 2033 年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為 17.0%。
生物混合機(jī)器人，主要由生物組織構(gòu)成，其優(yōu)勢(shì)在于可生物降解、自我修復(fù)和強(qiáng)適應(yīng)性，這使得它們?cè)谀７律矬w方面擁有巨大的發(fā)展空間。電極對(duì)于控制生物混合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要，然而，當(dāng)電極安裝在肌肉組織外部時(shí)，往往會(huì)以低效且非選擇性的方式影響鄰近的生物混合執(zhí)行器。因此，研發(fā)能夠選擇性刺激高收縮距離的肌肉組織的嵌入式電極，已成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。
鑒于此，東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種可嵌入骨骼肌組織的柱狀電極，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)肌肉的強(qiáng)化收縮，同時(shí)確保距離目標(biāo)肌肉4毫米遠(yuǎn)的鄰近組織不受影響。
相關(guān)研究成果以"Pillar electrodes embedded in the skeletal muscle tissue for selective stimulation of biohybrid actuators with increased contractile distance"為題發(fā)表在《Biofabrication》上。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用有限元方法（FEM）模擬來(lái)建立選擇性模型，將肌肉組織內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的體積積分（VIE）與不同電脈沖幅值下的實(shí)際收縮距離相關(guān)聯(lián)。
圖1. 嵌入骨骼肌組織的柱狀電極與傳統(tǒng)電極的概念對(duì)比和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
研究中的柱狀電極是由柱狀金屬陣列和底座封裝而成。在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch? S140，精度：10μm）制備了微柱陣列模具以及底座（內(nèi)部含有流道）。
其中微柱陣列模具結(jié)合PDMS翻模技術(shù)得到柱狀電極模具（PDMS cap），再與底座組裝后，采用真空填充方法注入低熔點(diǎn)合金，最終成功制備了柱狀電極。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，柱狀電極在實(shí)現(xiàn)收縮距離和選擇性方面，優(yōu)于傳統(tǒng)的金棒電極。此外，模擬得到的選擇性指數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，這進(jìn)一步表明了柱狀電極在高效且選擇性地刺激生物混合執(zhí)行器方面具有顯著潛力。
圖2. 柱狀電極制備流程
綜上，采用柱狀電極驅(qū)動(dòng)的生物混合機(jī)器人能夠執(zhí)行更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。這種創(chuàng)新技術(shù)在制造肌肉組織密集排列的生物混合機(jī)器人領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
通過(guò)微納3D打印技術(shù)，可以在微納米機(jī)器人中集成更多的功能，如傳感器、執(zhí)行器等，這使得微納米機(jī)器人能夠執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，如在細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行藥物遞送，或在微小空間內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的操作。
摩方精密始終致力于提供高精密、高公差控制、高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)支持與服務(wù)。隨著最新發(fā)布的復(fù)合精度光固化3D打印技術(shù)推出，摩方精密為行業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新和迭代提供了一種全新的提能增效解決方案，解決了跨尺度加工難題的同時(shí)，加速了原型制造的過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)器件向微型化、多功能化和集成化方向發(fā)展，為各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供強(qiáng)有力的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad4ba1
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