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二零二零年二月五日

將基礎科學研究轉化為臨床應用
中大仿生微型機械人集群在生物流體內遊走自如



香港中文大學(中大)機械與自動化工程學系副教授張立教授領導的研究團隊最近開發了一種仿生微型機械人集群在生物流體中運動的優化選擇策略。這項工作實現了將微型機械人集群技術從基礎研究轉化到臨床應用的重要一步,展現了它們巨大的醫學應用前景。研究結果已在國際頂尖學術期刊《自然通訊》(Nature Communications)上發表。

如要將微型機械人集群應用於人體醫學應用,應先充分了解它們在生物流體(例如血液及眼球內的玻璃體等)中的形成和運動行為。過往大部分相關研究都是在水中進行的,但水的物理性質與生物流體有很大差別。當流體介質從水變成各種生物流體時,微型機械人集群的形成和運動便變得非常不同且困難。

自然界中,動物單體間自發組織形成的集群行為並不罕見。科學家對各種單體在不同尺度的集群行為進行研究,嘗試理解這一複雜行為的機理。其中機械人學家通過無線通訊和精巧的演算法設計,已經開發了多種可以模仿自然界集群行為與結構的機械人系統。如張立教授課題組就已開發了包括渦狀群(International Journal of Robotics Research, 2018, Vol. 37, 912)和帶狀群(《自然通訊》2018, Vol. 9, 3260)在內的多種微型機械人集群系統,它們會按照既定的磁場並隨著外部環境的形態進行變化和運動。

在是次研究中,張立教授團隊將磁性活動集群分為三種類型,分別研究了兩種類型的活動集群在生物流體中的形成和運動行為,並系統地分析了生物流體的粘度,離子強度和內部高分子形成的孔隙結構等各項物理特性對微型機械人集群的影響,從而總結並提出了一套新穎的策略,用於預測不同種類微型集群機械人在各種生物流體中的行為。研究人員通過多次實驗,成功驗證了該策略的可行性。在高粘度生物流體體系中(比如眼球的玻璃體),基於流場生成的磁性粒子集群會較為穩定;而在高離子強度的液體中(比如消化道的胃酸),基於磁場生成的集群的表現會更好。值得一提的是,在血漿和血液中,上述兩種類型的微機械人集群都可以生成和按指令運動。

張立教授表示:「如果我們希望開啟微納機械人體內醫療應用的大門,微納機械人集群在生物流體中的可控生成和定向遞送是不可或缺的。我們目前正在和中大醫學院的同事一起探索微納機械人集群在醫療上的應用,如在血管和人體內其他狹小空間內的介入式治療。同時,我們課題組也在研發相應的磁場生成和控制系統。」

此研究由香港研究資助局(RGC)、創新科技署(ITC)及中大研究事務委員會資助。張立教授領導的團隊一直致力於醫用微納米機械人和系統的研究,在過去三年間,張立教授團隊在螺旋藻生物合成微型機械人、微型機械人集群、消化道惡性細菌毒素即時檢測,以及3D/4D打印微型機械人等方向取得一系列突破性進展,被香港研究資助局(https://youtu.be/l2NQfgW8tSQ)和創新科技署(https://www.itc.gov.hk/enewsletter/180901/en/nanobots_future_surgeons_inside_the_human_body.html)作為研究亮點報導。

註:
Active generation and magnetic actuation of microrobotic swarms in bio-fluids, Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13576-6

微納機械人集群在人體內進行遞送及局部治療示意圖。(由張立教授實驗室杜星洲提供)
微納機械人集群在人體內進行遞送及局部治療示意圖。(由張立教授實驗室杜星洲提供)

張立教授
張立教授

張立教授研究團隊合照。
張立教授研究團隊合照。