胃腸道疾病的治療一直面臨著傳統(tǒng)給藥方式的諸多局限，如藥物在靶向部位濃度低、釋放缺乏特異性、在體內(nèi)滯留時間短等，導(dǎo)致治療效果不理想。磁控微型機器人因其具有非接觸驅(qū)動、可穿透深層組織以及無輻射等優(yōu)勢，成為體內(nèi)靶向給藥的理想選擇。北京航空航天大學(xué)陳華偉團隊研究開發(fā)了一種原位像素級磁編程3D打印技術(shù)，旨在突破現(xiàn)有制造技術(shù)的瓶頸。 相關(guān)研究以題為“In Situ Pixel-Scale MagneticProgramming 3-Dimensional Printingfor Multimode Soft Miniature Robotswith Multifunctions”發(fā)表在Research上。 Citations: Zhao S, Zhang L, Tan K,Zhang S, Ma B, Jing X, Zhou X, Wang Y, Chen H. In Situ Pixel-Scale MagneticProgramming 3-Dimensional Printingfor Multimode Soft Miniature Robotswith Multifunctions. Research 2025; 8: Article 0734. https://doi.org/10.34133/research.0734 研究背景 胃腸道疾病的治療一直面臨著傳統(tǒng)給藥方式的諸多局限，如藥物在靶向部位濃度低、釋放缺乏特異性、在體內(nèi)滯留時間短等，導(dǎo)致治療效果不理想。磁控微型機器人因其具有非接觸驅(qū)動、可穿透深層組織以及無輻射等優(yōu)勢，成為體內(nèi)靶向給藥的理想選擇。然而，現(xiàn)有磁機器人的制造方法存在明顯不足：模具輔助的預(yù)變形磁化方法難以實現(xiàn)復(fù)雜的變形；一些新興的定制化制造方法，如直接墨水寫入時的噴嘴磁化、激光誘導(dǎo)局部再磁化等，雖能在一定程度上控制機器人各部件的剩磁，但缺乏均勻且高精度的三維磁場，限制了磁機器人的功能復(fù)雜性和變形精度。為此，本研究開發(fā)了原位像素級磁編程3D打印技術(shù)，旨在突破現(xiàn)有制造技術(shù)的瓶頸。 研究內(nèi)容 1、原位像素級磁編程 3D打印平臺 該平臺將三維均勻磁場發(fā)生器與基于圖像投影的光聚合3D打印機相結(jié)合。其中，三維磁場發(fā)生器由兩個平行放置的強釹鐵硼永磁體組成，通過步進電機實現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)角度為α），并整體安裝在水平旋轉(zhuǎn)板上繞Z軸產(chǎn)生水平旋轉(zhuǎn)角度γ，以此生成大范圍、均勻的編程磁場BPro(θ,γ)。當(dāng)磁鐵從α=0°旋轉(zhuǎn)至360°時，產(chǎn)生的磁場會隨之反向旋轉(zhuǎn)，其角度θ從0°變化至360°，結(jié)合水平旋轉(zhuǎn)角度γ，可實現(xiàn)對編程磁場的精準(zhǔn)三維控制。打印材料為均勻混合了預(yù)磁化釹鐵硼微粒的光固化樹脂。在打印過程中，首先通過磁場發(fā)生器將編程磁場調(diào)整至指定方向，使前驅(qū)體樹脂中的磁顆粒按此方向排列，隨后投影UV圖像固化選定的像素，從而鎖定磁顆粒的排列方向。通過重復(fù)這一過程，可對每個像素的剩磁方向進行單獨編程，經(jīng)逐層固化后，最終得到具有像素級磁編程的3D結(jié)構(gòu)。該平臺所產(chǎn)生的三維編程磁場具有優(yōu)異的強度和均勻性，在3 cm×3 cm 的方形區(qū)域內(nèi)，編程磁場的平均強度達50 mT，足以滿足磁編程過程中顆粒排列的需求（圖1）。 圖1 原位像素級磁編程3D打印平臺 2、1D條狀磁性機器人的設(shè)計與功能 針對狹長且彎曲的腸道環(huán)境，1D條狀磁性機器人通過精準(zhǔn)調(diào)控不同部位磁矩密度的θ方向，實現(xiàn)了在均勻驅(qū)動磁場作用下的可編程多曲線變形。研究提出的關(guān)鍵節(jié)點拼接磁化方法，基于多曲線變形中的應(yīng)力分布，在X-Z坐標(biāo)系下，將復(fù)雜的多曲線分解為多個簡單的懸臂段。通過選擇合適的懸臂類型、旋轉(zhuǎn)速率以及驅(qū)動磁場的變化，可組合出復(fù)雜的多曲線形狀。利用該方法制備的1D條狀磁性機器人展現(xiàn)出豐富的運動模式，如在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下實現(xiàn)海豚式波動和甲蟲式滾動，在脈沖磁場作用下實現(xiàn)毛毛蟲式的前后爬行（圖2）。 圖2 1D條狀磁機器人的設(shè)計與功能 3、2D膜狀磁性機器人的設(shè)計與功能 為適應(yīng)胃、膀胱等存在氣-液混合環(huán)境的較大封閉空間，研究開發(fā)了帶有爪子的2D膜狀磁性機器人。與1D機器人采用的面內(nèi)光固化方法不同，2D膜狀機器人通過在垂直于γ平面的方向上光固化像素，并逐步旋轉(zhuǎn)的θ角，產(chǎn)生了可精確控制的扭轉(zhuǎn)變形。這些2D膜狀機器人能夠?qū)崿F(xiàn)滾動、爬行、越障和推進等多種變形和功能。在胃模型中，它們可借助滾動、抓爪和越障等變形在有溝槽的表面移動；在水下，通過施加4 Hz的脈沖磁場，能像章魚一樣游動和轉(zhuǎn)向，速度達0.6 cm/s（圖3）。 圖3 2D膜狀磁性機器人的設(shè)計與功能 4、3D螺旋膠囊機器人的設(shè)計與功能 3D螺旋膠囊機器人擁有兩個位置相對的薄壁腔體和覆蓋在表面的螺紋結(jié)構(gòu)。利用原位像素級編程打印平臺的三維空間磁化技術(shù)，使兩個腔體反向磁化，從而在外部磁場作用下產(chǎn)生獨立的擠壓變形，而螺紋線則被磁化至與腔體磁化方向垂直，可通過旋轉(zhuǎn)磁場單獨控制其旋轉(zhuǎn)運動。在兔體內(nèi)實驗中，該機器人經(jīng)口服攜帶藥物液滴進入胃部，在外部磁驅(qū)動下實現(xiàn)了螺旋推進、側(cè)向滾動和轉(zhuǎn)向等多模式運動。到達目標(biāo)部位后，在脈沖作用下通過擠壓變形實現(xiàn)了精準(zhǔn)的藥物釋放，且最終能被安全排出體外（圖4）。 圖4 3D螺旋膠囊機器人的設(shè)計與功能 全文總結(jié) 本研究通過原位像素級磁編程3D打印技術(shù)，成功制備出1D、2D和3D多種類型的磁機器人，這些機器人憑借其多樣的運動模式和功能，能夠適應(yīng)不同的體內(nèi)環(huán)境并完成復(fù)雜任務(wù)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，該方法將體素級的幾何形狀和磁化特性整合到一個自動化平臺中，減少了人工勞動，提高了制造效率，尤其適用于復(fù)雜3D磁響應(yīng)機器人的制備。未來通過進一步提升磁編程輪廓與結(jié)構(gòu)的精度、優(yōu)化生物相容性，并增強制造方法的可擴展性，該技術(shù)有望推動相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，為醫(yī)療領(lǐng)域帶來更多創(chuàng)新性應(yīng)用。 作者簡介 北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院陳華偉教授為論文通訊作者。此研究得到國家重點研究計劃(No. 2025YFC3408703)、國家自然科學(xué)基金（Nos. U2441273, T2121003）、科學(xué)探索獎、中央高校基礎(chǔ)研究基金等項目資助。 文章來源：Research研究