微米機器人可以做成魟魚的形狀嗎?

微米機器人可以做成魟魚的形狀嗎? Credit: [email protected] CC BY 2.0

微型機器人形狀設計

生物體的形狀有他生活和存在環境的影響,例如說魚在水中游,他的身型就是一個適合水中運動的最好幾何形狀;而鳥在天上飛,當然翅膀和羽毛等設計也是天然利於他的最佳設計。如果我們要設計一個在人體的體液內遊走的微型機器人,這個機器人呈現魚的形狀,會是最好的設計嗎?

為什麼要有微型機器人

先說說為什麼科學家想要設計微型機器人,一是想要利用微型機器人,在人體內做ㄧ些人類做不到的事情,再者也希望藉由在人體內置入微型機器人,能減少侵入式的治療。之前生醫人網摘介紹過這種醫療用微型機器人,有用來釋放藥物的、打血栓的,甚至是在腸道內採樣的。而這些設計的動力來源,一為外加磁場,另外就是化學反應;還有就是這些機器人非常小,大小在微米(μm)等級,先不論內在結構如何,製造上就是很大的挑戰,如果要進一步攜帶藥品或者奈米顆粒,進入人體反應,那麼該怎麼把這些藥品置入機器人體內呢?以上各種問題,拜3D列印的精密數位技術之賜而有了新的突破。

微米機器魚

首先若能用3D列印技術印出來,那麼這個微型機器人的形狀,就可以任意修改,設計出有利運動的最佳外型,而不用擔心要使用昂貴的模具。美國「加州大學聖地牙哥分校」(UC San Diego)正應用這個技術,列印出各種複雜和仿生物的形狀後,設計出微型機器人。以魚的形狀為例,在魚的尾巴置入「白金」(platinum)奈米顆粒,這種顆粒會和環境中的「過氧化氫」(hydrogen peroxide)反應,進而推動前進;而在魚頭置入「氧化鐵」(iron oxide)奈米顆粒,即能用磁鐵導引這個微米機器魚行進的方向(點這裡看圖片)。而在魚的身體,嵌入能中和毒性的「聚二乙炔」(polydiacetylene, PDA)奈米顆粒,它是一種能夠抓取有害的毒性物質,像是蜂毒的奈米顆粒。當PDA和毒性分子結合,會呈現紅色螢光,還很方便觀察。整個魚型的大小,不及頭髮粗細的一半。整個設計,考慮到幾何形狀、動力、導引以及攜帶物質各個方面,也就是功能上的應用。

3D列印+奈米顆粒

這個3D列印技術,稱作「微型連續狀光學印刷」(microscale continuous optical printing, μCOP),為加州大學聖地牙哥分校的研究團隊所研發的。列印快速,精準,同時能放大縮小。只需要在幾秒內,研究員就能列印出幾百個120微米長和30微米厚的微型魚。μCOP的主要技術在一個包含有兩百萬個微小鏡子(micromirrors)的「陣列晶片」(digital micromirror array device, DMD),每一個微小鏡子各自控制其射出紫外線到光感材質上,並固化材料。微型魚就是以這種光感材料一層層列印出來,以在列印過程中,能夠嵌入奈米顆粒。而因為3D列印為數位化列印,所以可以任意更改要列印物體的幾何形狀,好比說列印魟魚或鯊魚的形狀。

以這個研究成果來看,這個微型機器人的設計概念和製作流程,已經相當成熟,且有彈性。未來如何能創造更多新的應用,如何設計得更精密,將會是另一階段的挑戰。

文章參考:UC San Diego
圖片來源:istolethetv@Flickr  CC BY 2.0 
原文參考:Advanced Materials



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BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。