金屬、陶瓷、3D列印的機器手，這些硬質的材料加上電、油壓或氣壓來作動機械，已經很普遍。但這些傳統形式的設計，對於生物體細胞這種小而柔軟的東西是時常束手無策的，尤其是，如果要將這些小機械手放到生物體內的特定區域做事情，進行醫療行為，那就連電線都不能接，更是困難。於是，就有了軟機器人的開發，基於生物啟發設計，優點在於質量輕、設計簡單、可以在水中或者低溫作用，同時可能模擬人體的功能。
微型結構機械小手可以做什麼?
質量小、材質輕，你腦中出現什麼材料?除了這些，機器手也一定要可以抓放，像夜市常見的夾娃娃機這樣動作，但是要很輕很小，在細胞這種大小的等級，那麼也就不能安裝傳統的「電池」，有什麼方法提供能源呢？科學家想要設計這樣的東西，讓醫師可以遠端操控這種小機械手，到患者體內採樣局部的生物組織，或者有一天，也可以導引這些小機械手，抓著藥物，到特定位置釋放。
水凝膠材料設計應用
針對以上的問題，科學家轉向開發水凝膠材料，怎麼說呢?水凝膠材料會因為物理或化學條件而改變，像是熱、光、不同的pH值環境會造成水凝膠收縮膨脹。也就是說，科學家可以藉由控制這種外在環境來操控這種材質，這樣就不需要額外提供電力。不過，水凝膠相當柔軟，不能應用在抓取東西，需要一些材質較硬，但是可生物分解的聚合物補強。美國約翰霍普金斯大學(The Johns Hopkins University)和馬里蘭大學(University of Maryland)的科學家ˊ，近日利用光度圖形(photopattern)技術在水凝膠材料上，開發了一種具有自動折合力和可致動的微結構物，利用兩種材料的系數不同，對溫度不同的反應，來達到目的。如同夾娃娃機的機械手這種抓放的功能，靠著材料在不同酸、熱環境的膨脹收縮功能來完成。然而，這個小機械手在生物體內怎麼移動位置呢?科學家在水凝膠內嵌入氧化鐵(Fe2O3)的奈米顆粒，如此一來，就可以在外部以磁鐵來控制這個小機械手的移動。
材料特性對環境反應不同而作動
這樣的設計結合了光、熱、酸鹼環境，以及水凝膠材料本身對這些改變的反應，影響這個小機械手的表現，如何完成精確的設計呢?應用電腦做數值模擬演算(有限元素分析法，Finite Element Analysis)，將這些條件和模型以電腦模型來模擬，科學家研究了水凝膠材料和聚合物補強層設計厚度和材料系數，對這個自動折合的微結構的影響。快來看看這個設計結果!看起來很像中秋節吃的柚子皮，有六瓣，張開的時候很像海星的形狀。若所處環境的溫度在36°C以下，這個結構是折合的，內外層材料不同，當溫度慢慢增加，外層遇熱排出水份，進而收縮，結構就會慢慢打開到完全張開，然後反向折合；這時候，慢慢降溫到低於36°C，外層吸收水份膨脹，結構慢慢張開到完全張開，然後又反向折合。
看來精密設計到了一種程度，要拋棄電池，用基本物理反應來建立作用機制。希望這個微結構的小機械手能更成熟，早日應用到臨床醫療上。
文章參考：American Chemical Society
影片來源：American Chemical Society
圖片來源：JeepersMedia@Flickr CC BY 2.0
原文參考：ACS Appl. Mater. Interfaces
