微型甜甜圈形状的机器人可以在鼻涕中游泳

微生物在世间穿梭并不总是那么容易。细菌和其他在体内蠕动的小生物经常需要在粘稠的环境中前行。对于人类来说，这就像一个人笨拙地试图在蜂蜜池中游动。大自然已经想出了解决这一棘手问题的创造性方法。例如，大肠杆菌使用螺旋运动穿过淤泥，而鞭毛则扭曲其框架并向前鞭打自己。

现在，坦佩雷大学和安徽建筑大学的研究人员利用这种自然适应性作为灵感，发明了一种新型甜甜圈形状的微型机器人，能够自主穿越粘液和其他粘稠物质。他们认为，这种微型机器人设计有朝一日可以用于通过粘液输送药物，将近五十年前首次提出的概念变为现实。研究人员本周在《自然材料》杂志上发表了他们的研究成果。

视频：在斯托克斯状态下不受束缚地在三维空间中游泳。图片来源：坦佩雷大学 Zixuan Deng

该机器人只有一毫米长，呈“环形”（或甜甜圈状），可以让厚实的粘性材料通过其暴露的中心。但仅凭形状并不能使机器人移动。为此，研究人员转向了一种名为液晶弹性体的合成材料。暴露于光或热刺激会导致这种材料开始自主旋转。研究人员使用加热板对涂有弹性体的机器人施加恒定的热量，发现他们可以让它在环境中向前推进。

一旦暴露在光或热中，机器人就会处于“自我维持运动”状态，研究人员称这让它可以自主移动。但它也可以被操纵。研究人员发现，他们可以通过改变光照或热量的暴露量来诱导甜甜圈机器人向某个方向移动。同样，他们可以通过完全切断机器人的光照和热量来让它停下来。机器人还可以根据最适合在特定环境中导航的方式，自主地在滚动或自推进模式之间切换。

这种类似甜甜圈的设计虽然是小型软形机器人的首例，但并非全新概念。这种形状的创意由物理学家爱德华·珀塞尔 (Edward Purcell) 于 1977 年提出。珀塞尔认为，环形体形可以改善微生物在“斯托克斯区域”中的导航，斯托克斯区域指的是粘性力较大且惯性较小或没有惯性的区域。这个小型机器人证明了这个总体想法是正确的。

视频：ZEEM 环面在陆地上行走的地面运动。图片来源：坦佩雷大学 Zixuan Deng

使用微型机器人通过鼻涕输送药物

虽然还处于早期阶段，但这种微型甜甜圈机器人可以在实验室之外的实际应用中使用。坦佩雷大学博士研究员、论文合著者之一 Zixuan Deng 认为，未来的医生可以使用这项基础技术通过粘液输送药物，甚至帮助疏通血管。

邓在一份声明中表示：“这项研究的影响不仅限于机器人技术，还可能影响医学和环境监测等领域。”

这并不是科学家第一次考虑将小型机器人送入人体。十多年来，研究人员设计了小型“纳米机器人”，它们可能能够将物质运送到人体，甚至运送到大脑和眼睛等特别敏感的区域。最近，麻省理工学院的研究人员发明了一种柔软的、受黄瓜启发的机器人，它可以像尺蠖一样在血管中向前移动。这个微型甜甜圈机器人更进一步，引入了一种在特别粘稠的区域移动的方法，其结构复杂度较低，只需要光或热就能移动。换句话说，鼻涕移动的医疗机器人可能离现实更近了一步。