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標題: 仿生皮膚感觉機器人用于植入式電子設备 [打印本頁]

作者: admin 時間: 2025-2-6 18:23
標題: 仿生皮膚感觉機器人用于植入式電子設备
咱們從脊椎動物骨骼肌和感受皮膚的慎密整合中罗致灵感，提出了一種软體呆板人的設計谋戒菸棒,略，重要由電子皮膚（e-skin）和人工肌肉構成。這些呆板人采纳原位溶液法，将多功效傳感和按需驱動集成到生物兼容的平台上。它們具有生物仿生設計，可以或许實現顺應性活動并與组织举行無压力接触，同時支撑電池-free無線模块，實現無線操作。

详细利用演示包含：

呆板人袖带：用于檢測血压。

呆板人抓手：用于跟踪膀胱體积。

可吞咽呆板人：用于pH檢測和腱鞘膏,現場藥物递送。

呆板人贴片：用于量化心脏功效和递送電療法。

這些利用展現了生物開导式软體呆板人在機動性和潜力方面的多样性。咱們的設計創建了一種通用计谋，涵盖遍及的感到和相應質料，终极構成合用于醫療技能及其他范畴的集成软體呆板人。

钻研布景

生物體在不竭變革的情况中進化出活動和感受功效的慎密連系，特别是脊椎動物的骨骼肌和感受皮膚之間的协同整合，使它們可以或许在神經體系的批示下，經由過程感知和举措展示伶俐。柔嫩皮膚内嵌入各類傳感器，采集触觉数据，引导肌肉活動并晋升意識和認知能力。這類活動-感受整合的觀點促成了仿照生物皮膚柔韧性的智能呆板人體系的成长，使其能在動態和不肯定的情况中平安摸索和互動。

在醫學技能范畴，仿生感受软體呆板人作為植入物展示出庞大的立异潜力，利用于手術、诊断、藥物递送、假肢和人造器官等方面。這些软體呆板人具备形態變革和功效化的能力，可以或许顺應生物组织，并規复其功效性特性，供给醫治手腕。比方，集成電容傳感器的膀胱體系可以及時监測膀胱容量，外形影象合金驱動器可實現排尿節制。其他如基于外形影象聚合物的柔嫩夹持器和theragrippers也展現了在醫學中的利用潜力。

植物生長素,虽然软體呆板人植入技能取患了希望，但在質料設計和制造技能方面仍面對挑战，如确保與生物组织相匹配的機器機能、生物相容性及装备的持久不乱性等。這些挑战必要經由過程生物仿生技能来降服，以實現更高機能的醫療装备。

钻研思绪

本文先容了一種新型软體呆板人的設計，交融了生物開导的履行器、傳感器和刺激器，實現了高度的布局顺應性與動態重構。這類呆板人可用于植入和開释生物-非生物界面應力，晋升生物相容性與時空切确度，展示多模態機能。详细利用包含：膀胱夹持器、血管封锁袖带、可吞咽呆板人和自動抓取心脏的呆板人贴片，這些利用展現了生物開导式設計的潜力。

软體呆板人由两层集成功效構成，摹拟感受皮膚與底层肌肉的瓜葛。電子皮膚（e-skin）由功效性纳米复合質料制成，人工肌肉則基于聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶，具有優秀的柔嫩性和生物相容性。该設計使得呆板人@可%8alVW%以%8alVW%或%8alVW%许對情%7724Y%况@刺激做出多種相應，并和谐活動。

經由過程原位溶液法，将多種傳感質料嵌入聚合物基質中，使e-skin具有触生髮噴霧,觉、压力、温度和化學感到等功效，超出傳统制造法子的局限。灵感来历于天然界的生物，使得呆板人可以或许實現多種動作與三维變形設置装备摆設。别的，嵌入的節制電路使得呆板人可以或许按需驱動，并經由過程節制模块和数据阐發實現無線闭環挪動、感知和通讯，從而實現微創手術并平安進入人體内部。

图1 | 生物開导的感官呆板人作為诊断、刺激和藥物递送的微創智能植入體的示用意。A. 用于血管體系的呆板人袖带。扭滚動作供给切确的血管包裹，以檢測血压并供给布局支持。B. 用于心外膜界面的呆板人贴片。抓握動作使得呆板人能與跳動的心脏举行柔柔接触，防止残剩张力，實現及時监測。C. 用于消化體系的可吞咽呆板人。這類從微型藥丸外形到三维扩大環的布局變化，使得呆板人可以或许在胃中逗留更长時候，實現pH值感知和藥物递送两重功效。\nD. 用于膀胱節制的呆板人夹持器。經由過程顺應性抓握膀胱的動作，可以切确追踪膀胱容量，并举行靶向刺激，以醫治泌尿體系疾病。

钻研成果

图3 | 基于纳米复合質料的按需呆板人驱動器，實現空間-時候節制。软性機器臂的剖解视图（A）和光學图象（B），由n-丁基氰基丙烯酸酯胶粘剂粘合，包含PNIPAM水凝胶层、RGO/PI热傳感器和AgNW/PI驱動加热器。AgNW/PI加热器的焦耳加热触發機器臂的曲折。標尺，5 妹妹。C、D，纳米复合薄膜概况的SEM图象。經由過程局部深反响離子蚀刻（DRIE）揭露了薄膜内的各向异性集成，區别了原始PI與AgNW/PI（C）和RGO/PI區域（D）。AgNW和RGO的概况自由能高于PI，平均分離在PI基質中，加强了润湿和連系機能。標尺：(C) 1.5 μm，(D) 10 μm。E，AgNW/PI加热器的红外热像图，展現了即便颠末1000次曲折和改變轮回後仍連结一致的加热機能。F，该加热器的概况温度随輸入電功率變革，低功率下表示出高效事情。G，软性機器臂的曲折角度随輸入電功率的變革而變革。H，RGO/PI的電阻相應。在曲折、改變和PBS淹没進程中對热傳感器举行热不乱性測試，温度范畴從23°C到92°C。数据點暗示来自n=3個自力實行的均匀值，偏差棒暗示尺度差。 I RGO/PI热傳感器的静態轮回測試。這里，左y轴暗示電阻變革，右y轴暗示响應的温度變革。 J MXene基热傳感器在23°C至55°C温度下的電阻相應。 K MXene/PI热傳感器與商用热電阻(ERT-J0ET102H)的温度丈量比力。 L 經由過程持续的热刺激次序驱動软呆板人探针的分阶段卷曲動作。上图显示红外热成像，下图显示從平坦到卷曲状况的布局變革。比例尺，10妹妹。 M 集成的RGO/PI热傳感器使得局部區域的温度丈量成為可能，用于本體感受。 N 光學图象展現了經由過程次序编程輸入功率實現三指软呆板人抓取器的按需活動節制。比例尺，5妹妹。 3组實行反复了與(C)、(D)、(I)、(J)建和國際開發有限公司,、(K)、(L)雷同的成果。

图6 | 软體呆板人醫治夹用于心外膜感知和電刺激（E-stim）的體内驗證。A：示用意显示醫治夹在静息状况下實現微創插入，在驱動状况下包裹在跳動心脏的概况。醫治夹包括四個由S形Au/PI電阻器制成的應變傳感器，两個基于Au的E-stim電极，和两個由热電阻制成的温度傳感器。B：驱動状况下的有限元建模。图例中的色彩暗示von Mises應力的巨细。C：活體小鼠心脏心外膜上软體呆板人醫治夹抓取的图象。標尺，5妹妹。D：示用意显示醫治夹在小鼠心脏上的位置，應變傳感器（標識表記標帜為S一、S二、S3和S4）位于分歧的心脏腔室，以便于局部监測功效停滞的组织。E：3T3-J-2细胞在接触預處置的软體呆板人集成後（比照）和以後的共聚焦显微镜图象。 e-skin层和PNIPAM水凝胶肌肉层，别離在37°C和39°C下培育48小時。標尺，50微米。F 软呆板人表露後细胞活气的比力，表白在升高温度（39°C）下與软呆板人接触的3T3-J-2细胞活气并未降低。標尺，50微米。均匀值±尺度差，n=3。单侧t查驗P值。G 在将thera-gripper摆設到小鼠心脏時代的温度丈量，展現了该装备及時监測温度變革的能力。H 利用一對Au E-stim電极举行電刺激時的心電旌旗灯号概况波形。康健心脏（I）和心肌梗死（MI）後两周的毁伤心脏（J）的光學图象。J图中白色虚線圈暗示MI區域。康健（K）和MI後心脏（L）的M型超声心動图。利用软性呆板人thera-gripper包裹活體小鼠心脏時，局部心脏紧缩的代表丈量值，别離在MI前（M）和MI後（N）。

钻研结论

本钻研陈述了一種無束厄局促软呆板人觀點及其装备設計，這類呆板人高度摹拟生物體系，整合了致動器、傳感器和刺激器，以實現布局顺應和可重構界面，削减體内组织毁伤，晋升生物-非生物界面的機器匹配及生物相容性，并改良多模態功效的時空精度。软呆板人由電子皮膚和热相應PNIPAM水凝胶制成的人工肌肉层组成，具有感知外部刺激的能力和顺應性活動。

钻研采纳原位溶液法制造柔性多模態電子皮膚，可以或许将多種功效質料與聚合物基體融為一體，構成高時空辨别率的傳感器，供给多样的機器活動和外形變革。經由過程嵌入的電热器，软呆板人可以切确節制局部區域，并經由過程無線模块實現體内植入後的節制與通讯。

為展現其适用性，開辟了几種特定利用的软呆板人，包含用于评估膀胱容量和電刺激的抓手、用于丈量血压的呆板人袖带及可吞食的胃内pH监測和藥物運送呆板人。在小鼠模子的體内钻研中，软呆板人展現了暖和包裹心脏、评估生物電勾當及供给電刺激调理功效的能力。

总體而言，這類软呆番紅花泡水,板人展示了作為下一代生物醫學植入物的潜力，将来的希望可能進一步加强其與生物组织的协同感化，改良慢性疾病的醫治结果。

举薦来由

本钻研從仿生整合和動態重設置装备摆設動身，提出了利用软體呆板人于醫療技能及更遍及范畴的通用计谋，旨在减輕植入進程中的组织毁伤，增长生物兼容性，并以時空精度加强装备的多模態機能。

参考文献

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