近期，華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心、電氣與電子工程學(xué)院李亮教授與曹全梁教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出微型磁控膠囊機(jī)器人（最小尺寸僅5.8×13mm），并實(shí)現(xiàn)了集主動(dòng)靶向運(yùn)輸、定點(diǎn)采樣和多重藥物釋放等醫(yī)療功能于一體，在胃腸道疾病無創(chuàng)診療中展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。2024年2月29日，該研究成果以“Magnetically driven capsules with multimodal response and multifunctionality for biomedical applications”為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。華中科技大學(xué)博士生孫宇軒、張望為論文共同第一作者，李亮教授和曹全梁教授為共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心學(xué)科交叉基金的資助。相關(guān)成果曾榮獲2023年全國大學(xué)生機(jī)器人科技創(chuàng)新交流營暨機(jī)器人大賽特等獎(jiǎng)、“申昊杯”第五屆中國研究生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。
不同于現(xiàn)有磁控膠囊機(jī)器人，本研究將磁控軟體機(jī)器人技術(shù)引入到膠囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在傳統(tǒng)密閉式膠囊本體結(jié)構(gòu)中構(gòu)造了獨(dú)特的磁性軟體通道（由雙層硬磁性軟體復(fù)合材料構(gòu)成），并通過梯度磁場力和磁力矩競爭式通道開閉狀態(tài)調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)無磁場下的膠囊通道自關(guān)閉和外加磁場下的柔性可控開啟，為破解膠囊內(nèi)腔與胃腸道環(huán)境間物質(zhì)雙向交互難題提供了有效途徑。
同時(shí)，通過磁性軟體通道的單向凈剩磁設(shè)計(jì)以及整體-局部磁動(dòng)力學(xué)響應(yīng)解耦式驅(qū)動(dòng)，攻克了傳統(tǒng)膠囊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及功能模式單一、拓展性差等瓶頸，為實(shí)現(xiàn)膠囊機(jī)器人整體主動(dòng)靶向輸運(yùn)和局部多模態(tài)磁響應(yīng)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
在上述基礎(chǔ)上，該項(xiàng)研究先后通過理想模型實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物體外器官模型實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)膠囊機(jī)器人靶向運(yùn)動(dòng)、定點(diǎn)可控藥物釋放與采樣等醫(yī)學(xué)功能進(jìn)行了系列評(píng)估，驗(yàn)證了其在胃腸道疾病診療中的應(yīng)用潛力。
此外，該膠囊機(jī)器人還采用了無內(nèi)源模塊化設(shè)計(jì)，通過跨尺度磁場頻率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)磁-動(dòng)-光/熱能多能交互的功能集成，并驗(yàn)證了其在多重藥可控釋放、消化道粘液清除以及磁電/熱轉(zhuǎn)化激勵(lì)等功能中的應(yīng)用，為推動(dòng)未來胃腸道疾病無創(chuàng)診療技術(shù)創(chuàng)新和突破提供了重要途徑。
拓展功能展示：多重藥物釋放與低頻靶向運(yùn)輸-高頻磁電轉(zhuǎn)化激勵(lì)
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46046-9
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