隨著功能性納米材料、納米催化、微納加工技術(shù)等納米科技的飛速發(fā)展，為機器人技術(shù)和微納生物學/納米醫(yī)學之間的結(jié)合，找到了一條可行路徑，微納米機器人應(yīng)運而生。因其體積小、可無線操控、靈敏度高等優(yōu)勢，在疾病診斷、靶向藥物送、微創(chuàng)手術(shù)、生物傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力和廣泛的應(yīng)用價值。
工業(yè) 4.0趨勢和生產(chǎn)流程自動化一直在不斷推動微納米機器人在工業(yè)環(huán)境中的部署，據(jù)FMI（Future Market Insights）的統(tǒng)計及預測，2023年全球微型機器人市場估值達到了317.3億美元，預計2033年將達到1591.7億美元，年復合增長率（CAGR）為17.5%（2023-2033）。
根據(jù)材料不同，微納米機器人可分為人工型、生物型、生物混合型三種。其中生物混合機器人（biohybrid robots）具有高能量轉(zhuǎn)換效率和生物相容性的特征，通常作為驅(qū)動器的活體生物，預計將在全球微型機器人市場繼續(xù)受到關(guān)注，2023 年至 2033 年的年復合增長率為 17.0%。
生物混合機器人，主要由生物組織構(gòu)成，其優(yōu)勢在于可生物降解、自我修復和強適應(yīng)性，這使得它們在模仿生物體方面擁有巨大的發(fā)展空間。電極對于控制生物混合機器人的運動至關(guān)重要，然而，當電極安裝在肌肉組織外部時，往往會以低效且非選擇性的方式影響鄰近的生物混合執(zhí)行器。因此，研發(fā)能夠選擇性刺激高收縮距離的肌肉組織的嵌入式電極，已成為一個迫切需要解決的問題。
鑒于此，東京大學研究團隊研發(fā)了一種可嵌入骨骼肌組織的柱狀電極，實現(xiàn)對目標肌肉的強化收縮，同時確保距離目標肌肉4毫米遠的鄰近組織不受影響。
相關(guān)研究成果以"Pillar electrodes embedded in the skeletal muscle tissue for selective stimulation of biohybrid actuators with increased contractile distance"為題發(fā)表在《Biofabrication》上。
研究團隊通過使用有限元方法（FEM）模擬來建立選擇性模型，將肌肉組織內(nèi)電場強度的體積積分（VIE）與不同電脈沖幅值下的實際收縮距離相關(guān)聯(lián)。
圖1. 嵌入骨骼肌組織的柱狀電極與傳統(tǒng)電極的概念對比和結(jié)構(gòu)設(shè)計分析
研究中的柱狀電極是由柱狀金屬陣列和底座封裝而成。在實驗中，研究團隊利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch? S140，精度：10μm）制備了微柱陣列模具以及底座（內(nèi)部含有流道）。
其中微柱陣列模具結(jié)合PDMS翻模技術(shù)得到柱狀電極模具（PDMS cap），再與底座組裝后，采用真空填充方法注入低熔點合金，最終成功制備了柱狀電極。實驗證實，柱狀電極在實現(xiàn)收縮距離和選擇性方面，優(yōu)于傳統(tǒng)的金棒電極。此外，模擬得到的選擇性指數(shù)與實驗數(shù)據(jù)相吻合，這進一步表明了柱狀電極在高效且選擇性地刺激生物混合執(zhí)行器方面具有顯著潛力。
圖2. 柱狀電極制備流程
綜上，采用柱狀電極驅(qū)動的生物混合機器人能夠執(zhí)行更加復雜的運動。這種創(chuàng)新技術(shù)在制造肌肉組織密集排列的生物混合機器人領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
通過微納3D打印技術(shù)，可以在微納米機器人中集成更多的功能，如傳感器、執(zhí)行器等，這使得微納米機器人能夠執(zhí)行更復雜的任務(wù)，如在細胞內(nèi)部進行藥物遞送，或在微小空間內(nèi)進行精細的操作。
摩方精密始終致力于提供高精密、高公差控制、高質(zhì)量、高標準的技術(shù)支持與服務(wù)。隨著最新發(fā)布的復合精度光固化3D打印技術(shù)推出，摩方精密為行業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新和迭代提供了一種全新的提能增效解決方案，解決了跨尺度加工難題的同時，加速了原型制造的過程。這項技術(shù)的應(yīng)用，將進一步推動器件向微型化、多功能化和集成化方向發(fā)展，為各個領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供強有力的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad4ba1
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