創(chuàng)新

新 型柔性智能驅(qū)動(dòng)器

會(huì)“彈指”“跳躍”的機(jī)器人

●創(chuàng)新點(diǎn)

柔性智能驅(qū)動(dòng)器可將光、電、熱等外部能量直接轉(zhuǎn)化為器件本身的機(jī)械變形，而不需要通過煩瑣的能量轉(zhuǎn)化裝置，因而引起了科學(xué)家廣泛的研究興趣。但是，結(jié)構(gòu)簡單、快速大變形、多刺激源響應(yīng)，以及能對飛行、跳躍等復(fù)雜生物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬的柔性驅(qū)動(dòng)器的研究仍面臨挑戰(zhàn)。合肥工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究人員合作，設(shè)計(jì)制備了一種具有卷曲形狀的驅(qū)動(dòng)器，可從管狀到平直形狀的快速大變形后，迅速恢復(fù)到原始卷曲形狀。

●方法和結(jié)果

研究人員設(shè)計(jì)制備了一種具有卷曲形狀的碳納米管/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器可在低電壓以及光照射下產(chǎn)生從管狀到平直形狀的快速大變形，并且在電信號(hào)或者光照信號(hào)撤除后恢復(fù)到原始卷曲形狀。通過形狀設(shè)計(jì)，研究人員將該驅(qū)動(dòng)器的兩端部分重合來模擬“彈指”中拇指與中指的相互接觸，從而構(gòu)筑了光驅(qū)動(dòng)“跳躍”機(jī)器人。該機(jī)器人在光照下兩個(gè)端部的選擇性非對稱變形，導(dǎo)致彈性勢能的積累以及瞬間釋放，從而產(chǎn)生跳躍運(yùn)動(dòng)，其跳躍高度可達(dá)自身高度的5倍以上，并伴隨空中翻滾動(dòng)作。通過改變?nèi)肷涔夥较?，該機(jī)器人還可產(chǎn)生類似于不倒翁的周期性搖擺運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用前景

跳躍運(yùn)動(dòng)涉及能量的存儲(chǔ)以及瞬間釋放。傳統(tǒng)跳躍機(jī)器人需要通過彈簧、齒輪等一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來積累、存儲(chǔ)和快速釋放能量，從而實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)。而通過柔性仿生智能驅(qū)動(dòng)材料器件模擬“彈指”這一日常行為，為實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)提供了一種全新的方式，在智能仿生、柔性傳感等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。目前，研究人員以該驅(qū)動(dòng)器為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研發(fā)了光驅(qū)動(dòng)/電驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)器人、抓取物體的仿生機(jī)械手以及能在太陽光照射下綻放的仿生花朵等一系列智能器件。

Source：Ying Hu, Jiaqin Liu,Longfei Chang, et al. Electrically and Sunlight-Driven Actuator with Versatile Biomimetic Motions Based on Rolled Carbon Nanotube Bilayer Composite [J].Advanced Functional Materials,2017, 27（44）：201704388.

轉(zhuǎn) 基因干細(xì)胞療法

可重建人類整個(gè)表皮

●創(chuàng)新點(diǎn)

大皰性表皮松解癥是一種先天性皮膚病，其基本機(jī)制是編碼基底膜層粘連蛋白β3鏈的基因發(fā)生突變，造成基底膜透明板出現(xiàn)裂隙。即使輕微的壓力也會(huì)導(dǎo)致水皰、傷口和皮膚疤痕的形成。嚴(yán)重的話，患者內(nèi)臟也可能受到影響，導(dǎo)致嚴(yán)重的功能障礙。意大利摩德納大學(xué)的干細(xì)胞生物學(xué)家、醫(yī)生米凱萊·德盧卡（Michele De Luca）等人研發(fā)了一種將干細(xì)胞技術(shù)與基因治療相結(jié)合的方法，取得了重大進(jìn)展。

●方法和結(jié)果

德盧卡等人首先從患者未受損的表皮中取出活組織樣品，并從這種活組織樣品中提取出角質(zhì)細(xì)胞（keratinocytes），這些角質(zhì)細(xì)胞在培養(yǎng)液中進(jìn)行增殖，隨后利用一種攜帶著全長的、健康的層粘連蛋白β3編碼基因的逆轉(zhuǎn)錄病毒載體轉(zhuǎn)染這些角質(zhì)細(xì)胞。這些生長成薄片的角質(zhì)細(xì)胞經(jīng)過進(jìn)一步的增殖后，產(chǎn)生足夠多的表皮，再進(jìn)行移植，可替換患者80%的皮膚，移植表皮總面積達(dá)0.94平方米。此外，該研究還表明這些人體表皮靠特定區(qū)域的長壽干細(xì)胞維持。

應(yīng)用前景

這種方法對研究和開發(fā)用于治療大皰性表皮松解癥的新療法，以及其他導(dǎo)致大面積皮膚缺陷的疾病和外傷都具有巨大的潛力。此外，通過轉(zhuǎn)化研究或可指導(dǎo)干細(xì)胞和基因組合療法，可治療其他原本不可治愈的疾病。

Source：Tobias Hirsch,Tobias Rothoeft, Michele De Luca, et al. Regeneration of the entire human epidermis using transgenic stem cells [J]. Nature,2017, 551：327～332.

可 生物降解的納米機(jī)器人

可用磁場進(jìn)行控制

●創(chuàng)新點(diǎn)

幾十年來，生物醫(yī)學(xué)工程師一直試圖制造智能給藥機(jī)器人和手術(shù)微型機(jī)器人，就像科幻電影《神奇之旅》里的血管飛船一樣?？茖W(xué)家反復(fù)試驗(yàn)各種形狀的人造機(jī)器，有桿狀的、管狀的、球狀的，甚至是比一個(gè)細(xì)胞還小的籠子狀的。為這些微小設(shè)備持續(xù)供能一直是項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)供能燃料對人體都具有毒性，并且由于人體富含蛋白質(zhì)和其他分子，微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向難以控制。香港中文大學(xué)張立教授和英國曼徹斯特大學(xué)科斯塔斯·科斯塔洛斯（Kostas Kostarelos）教授帶領(lǐng)的研究小組推出一款可生物降解的納米機(jī)器人，運(yùn)用可穿透人體且不會(huì)造成傷害的磁場解決了這些問題。

●方法和結(jié)果

這種機(jī)器人由可生物降解的螺旋藻制成，通過工程改造使其散發(fā)熒光，以便追蹤。研究人員再通過快速為數(shù)百萬的螺旋藻涂上鐵氧化物納米顆粒涂層，使它們磁化。當(dāng)微型機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)深層，無法通過熒光跟蹤時(shí)，仍可通過磁共振繼續(xù)追蹤。機(jī)器人上的鐵磁涂層還可以讓研究者微調(diào)降解速度。利用磁場，研究人員可以在復(fù)雜的生物體內(nèi)精準(zhǔn)遙控機(jī)器人。此外，機(jī)器人能夠攜帶并釋放出攻擊癌細(xì)胞的有效藥物。

應(yīng)用前景

研究人員表示，該微型機(jī)器人有能力感知與疾病發(fā)作有關(guān)的環(huán)境變化，這使它們有望成為遠(yuǎn)程診斷疾病的探測器。這些機(jī)器人擁有在人體內(nèi)難以觸及部位中進(jìn)行受控作業(yè)的潛力，使它們有可能用來進(jìn)行微創(chuàng)治療，例如，攜帶并釋放出攻擊癌細(xì)胞的有效藥物等。同時(shí)，該研究也是一項(xiàng)研發(fā)多功能微型機(jī)器人和納米機(jī)器人設(shè)備的概念驗(yàn)證，為微型機(jī)器人的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

Source：Xiaohui Yan,Kostas Kostarelos, Li Zhang, et al.Multifunctional biohybrid magnetite microrobots for imaging-guided therapy [J]. Science Robotics,2017, 2（44）：eaaq1155.