微型机器人通常只有头发直径的一小部分，据预测将彻底改变医疗保健。
它们的设计目的是在体内游动，将药物输送至特定部位，并执行最微小的外科手术。
研究人员近期开发出一种模仿海星幼虫的微型机器人，其表面数以百计、成千上万的细毛可用于产生涡流并收集颗粒。
研究人员开发出一种微型机器人，可模仿海星幼虫的运动方式。
在科学界，人们对有望彻底改变医学的微型机器人兴趣浓厚。这些微型机器人通常只有头发直径的一小部分，设计用于在体内游动，将药物输送至特定部位，并执行最微小的外科手术。
自然界中的微生物，如细菌或藻类，常常启发这类机器人的设计。这款新型微型机器人是一种超声波驱动的合成系统，模仿海星纤毛带的自然排列方式，并利用非线性声学来复现幼虫的运动和操控技巧。
纤毛是关键要素
乍看之下，这种微型机器人与海星幼虫几乎没有相似之处。海星幼虫处于幼虫阶段时，身体呈分叶状，直径仅几毫米。与之相比，该微型机器人呈矩形，尺寸小10倍，宽度仅为四分之一毫米。但两者确实有一个重要的共同特征：表面都有一系列细小、可活动的毛，称为纤毛。
海星幼虫表面覆盖着数以百计、成千上万根这样的细毛。这些细毛呈行排列，以协调一致的方式前后摆动，在周围水体中形成漩涡。
两排纤毛的相对方向决定了最终效果：将两条摆动纤毛带相互朝向倾斜，会形成具有推进作用的漩涡，从而推动幼虫前进。反之，若使两条纤毛带相互背离倾斜，则会形成将液体吸入的漩涡，从而捕获幼虫赖以进食的颗粒。
这些纤毛是这款新型微型机器人的关键设计要素。
“最初，我们只是想测试能否制造出与海星幼虫的漩涡相似的漩涡，即让纤毛行相互朝向或背离倾斜，”苏黎世联邦理工学院生命科学与医疗保健声学机器人教授丹尼尔·艾哈迈德（Daniel Ahmed）说道。
为此，研究人员采用光刻技术制造出具有适当倾斜纤毛带的微型机器人。随后，他们从外部源施加超声波，使纤毛振荡。合成纤毛每秒可前后摆动一万多次，比海星幼虫的纤毛快约一千倍。
与海星幼虫一样，这些摆动的纤毛可产生两种漩涡：前端形成吸力漩涡，后端形成推力漩涡，两者共同作用使机器人“火箭式”向前推进。
在实验室中，研究人员证明微型机器人能够在水等液体中沿直线游动。向水中加入微小的塑料珠，使微型机器人产生的漩涡得以显现。结果令人惊叹：海星幼虫与微型机器人产生的流动模式几乎完全相同。
接下来，研究人员对纤毛带进行了排列，使吸力漩涡位于推力漩涡旁边，模仿海星幼虫的进食方式。这种排列使机器人能够收集颗粒，并将其沿预定方向排出。
微型机器人的未来
艾哈迈德确信，这种新型微型机器人在可预见的未来将可用于医疗领域。原因在于，仅依赖超声波的系统具有决定性优势：超声波已广泛用于成像，能够深入体内，且不存在健康风险。
他补充道，这种疗法仅需要一台超声设备，因此成本低廉，适用于发达国家和发展中国家。
艾哈迈德认为，最初的一个应用领域可能是胃肿瘤的治疗。传统药物通过扩散方式被吸收的效率较低，而利用微型机器人将药物精准输送至胃部肿瘤部位并在该处释放，可能会提高药物被肿瘤细胞吸收的效率，并减少副作用。
但在这一构想实现之前，仍有一项重大挑战有待克服：成像。要引导微型机器人到达正确位置，需要实时生成清晰的图像。研究人员计划通过加入造影剂，使微型机器人在超声成像中更加清晰可见，此类造影剂目前已用于医学超声成像。
除医疗应用外，艾哈迈德还预计，这种受海星启发的设计将对科研和工业中微量液体的操控产生重要影响。摆动的纤毛带可执行混合、泵送和颗粒捕获等任务。
