無論是科幻愛好者還是游泳冠軍菲爾普斯，都將會對研究人員最近完成的一個壯舉感興趣。這個實驗利用旋轉的磁場，讓很多微型的、由磁性顆粒組成的機器人在一個微流體環境中連接成許多“鏈條”，以驚人的速度游動。這一發現是醫學上利用人稱“微型游泳機器人”在人體內進行藥物輸送和手術方面取得的最新進展。
通過以一定的頻率旋轉磁場，機器人組成的鏈條將會分裂成很多單個的、可進行單獨控制的機器人
通過以一定的頻率旋轉磁場，機器人組成的鏈條將會分裂成很多單個的、可進行單獨控制的機器人
Drexel大學的研究員在工程學院教授MinJun Kim博士的領導下，成功地完成了一個壯舉，無論是科幻愛好者還是游泳冠軍菲爾普斯，都將會對這一壯舉感興趣。他們利用旋轉的磁場，讓很多微型的、由磁性顆粒組成的機器人在一個微流體環境中連接成許多“鏈條”，以驚人的速度游動。這一發現是醫學上利用“微型游泳機器人”（ microswimmer robot）在人體內進行藥物輸送和手術方面取得的最新進展。
在自然科學報告雜志（Nature Scientific Reports）最近發表的一篇論文中，化學工程師描述了他們利用磁場讓磁性顆粒在游動過程中彼此連接及解除連接、并在磁場中對解除了耦合連接的單個機器人進行單獨控制的過程。實驗數據有助于推進使用微型機器人在靜脈內進行有目標的藥物輸送、手術以及癌癥治療。
“我們相信微型游泳機器人有一天將被用于進行醫療手術，并為人體中受感染的部位帶來更為直接的治療，”Drexel大學工程學院的研究者博士后U Kei Cheang說。他是上面所說論文的主要作者。他說，“對于這類型的工作這種機器人具有很高的效率，因為它們在很多不同的生物環境中都能夠被準確地引導到目的地，例如流動的血液中以及腫瘤內部的微環境中。”
一個重要的發現是，較長的機器人鏈條能夠游動得比較短的鏈條更快。他們從僅有三個磁性顆粒的最短鏈條開始，逐漸組建更長的鏈條進行實驗。研究小組發現的最長的鏈條擁有13個磁性顆粒，游動的速度高達17.85微米每秒。
Drexel大學的工程師們在過去的將近十年里都在試圖增進對生物醫藥用途的微型機器人的了解，目的在于讓由微型機器人組成的鏈條在人體中運動，然后通過解除耦合的分散的微型機器人來將攜帶的藥物運送至目標或者對目標進行治療。
這次取得的進展在于，能夠使用一個單一的磁場來控制幾乎是全能的微型機器人來完成多種任務。
微型機器人鏈條是通過旋轉來移動的，它們排列成長長的螺絲狀，與旋轉的外部磁場同步地旋轉，螺旋槳式前進。因此，磁場旋轉得越快，就有越多的微型機器人參與到旋轉中，它們前進的速度就越快。這一動態推進系統也是將機器人鏈條分解成更短鏈條的關鍵。當磁場旋轉頻率達到某一特定值時，機器人鏈條將會分裂為兩條更短的鏈條，它們可以進行獨立的運動。
“要讓機器人鏈條分解，我們只需要增加磁場旋轉的頻率，”Cheang說，“對一條由七個磁性顆粒組成的機器人鏈條，我們將磁場旋轉頻率增加10-15周，流體動力所產生的作用力將導致鏈條發生形變，產生卷曲效應，從而導致整個鏈條分解為由三個顆粒和四個顆粒組成的兩條鏈條。”
鏈條分解后，可以繼續通過調整磁場，讓三顆粒鏈條與四顆粒鏈條朝不同的方向移動。因為顆粒是具有磁性的，它們還可以重新連接，只需調整磁場讓它們的異性磁極回到相互吸引的位置。研究團隊還總結出了可以促進機器人鏈條重新連接的最佳的旋轉頻率與角度。
這一發現其實是另一個更大的研究課題中的重要部分，Drexel大學正與來自全世界的10家研究和醫療機構聯合開發用于治療動脈阻塞的微創手術技術。
“為了使這一發現應用于藥物輸送和微創手術，將來的研究需要證明不同配置的機器人鏈條可以在多種復雜環境中實現正確引導，以及可以在操作過程中建立起不同的機器人鏈條來完成不同的任務，”論文作者這樣說，“但我們相信，對我們研究中討論的機器人鏈條裝配過程進行機械學的研究，可以幫助將來人們開發能夠完成這方面重要工作的裝置。”
