在科幻電影中，我們?？吹郊{米機(jī)器人潛入人體內(nèi)部執(zhí)行修復(fù)任務(wù)的場景。如今，這種想象正逐漸走向現(xiàn)實(shí)。近年來，微型機(jī)器人因其高度自由和緊湊性受到廣泛關(guān)注。它們能夠進(jìn)入人體內(nèi)難以觸及的狹窄區(qū)域，執(zhí)行監(jiān)測、藥物輸送甚至手術(shù)等任務(wù)，有望徹底改變傳統(tǒng)醫(yī)療介入方式。

然而，要實(shí)現(xiàn)這些功能，微型機(jī)器人需具備幾個(gè)核心能力：無線驅(qū)動(dòng)、高精度傳感、實(shí)時(shí)反饋和長期穩(wěn)定性。其中，磁驅(qū)動(dòng)被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)無線操控的有效方式，它可對微型機(jī)器人施加精確的力和扭矩，從而控制其運(yùn)動(dòng)和形變。但僅有驅(qū)動(dòng)還不夠，如何在毫米甚至微米尺度上集成傳感與通信系統(tǒng)，一直是技術(shù)上的瓶頸。

大多數(shù)現(xiàn)有的無線生物電子系統(tǒng)仍依賴機(jī)載電池，這增加了裝置的重量和體積，降低了其在磁驅(qū)動(dòng)下的機(jī)動(dòng)性。雖然無電池技術(shù)（如電磁耦合）有所進(jìn)展，但傳輸距離短（通常小于10厘米）和信號(hào)干擾問題限制了其應(yīng)用。此外，在復(fù)雜的人體環(huán)境中，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、抗干擾的傳感與數(shù)據(jù)回傳，仍是亟待解決的難題。

▍全新解決方案，嵌入式超聲波軟傳感器（EUSS）與磁驅(qū)動(dòng)融合

針對上述挑戰(zhàn)，來自華中科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)創(chuàng)新性的技術(shù)：將嵌入式超聲波軟傳感器（Embedded Ultrasonic Soft Sensor, EUSS） 與磁力驅(qū)動(dòng)器結(jié)合，構(gòu)建出既能被無線操控又能實(shí)現(xiàn)多參數(shù)感知的機(jī)器人傳感器方法。

該成果以“Miniature magneto-ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Science Robotics》上

EUSS的核心是一個(gè)基于聲子晶體理論的二維微結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由周期性排列的空氣腔（散射體）嵌入軟硅橡膠基質(zhì)中構(gòu)成，形成類似晶體晶格的排列方式。這種周期性結(jié)構(gòu)會(huì)形成所謂的“聲子帶隙”——特定頻率范圍內(nèi)的聲波無法透過結(jié)構(gòu)傳播，而是被強(qiáng)烈反射。

EUSS的傳感機(jī)制建立在機(jī)械變形改變其聲學(xué)特性的基礎(chǔ)上。當(dāng)傳感器受到外力、溫度變化或振動(dòng)作用時(shí)，其硅橡膠基質(zhì)會(huì)發(fā)生微應(yīng)變，導(dǎo)致空氣腔的間距和形狀改變。這種變化會(huì)直接影響聲子帶隙的位置，表現(xiàn)為反射超聲波的峰值頻率發(fā)生偏移。通過外部的超聲探頭檢測這一頻移，就能高精度地反推出EUSS所處環(huán)境參數(shù)的變化。

整個(gè)EUSS單元的尺寸僅為1.3 mm × 1.3 mm × 1.6 mm，重量只有4.6毫克，非常適合集成到微型機(jī)器中。與傳統(tǒng)的依靠水凝膠膨脹的超聲傳感方式不同，EUSS將驅(qū)動(dòng)器直接作為傳感接口，不僅擴(kuò)展了可檢測的信號(hào)類型（如力、振動(dòng)、粘度、溫度等），也增強(qiáng)了其在反饋控制中的實(shí)用性。

▍系統(tǒng)工作機(jī)制：超聲成像與頻率分析的融合

該機(jī)器人傳感系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)完整的無線感知-操控閉環(huán)，其工作流程分為三個(gè)精密協(xié)調(diào)的階段：

超聲圖像采集與機(jī)器人跟蹤：系統(tǒng)采用六自由度機(jī)械臂搭載的線陣超聲探頭，實(shí)現(xiàn)對微型機(jī)器的實(shí)時(shí)成像與跟蹤。機(jī)械臂可進(jìn)行亞毫米級(jí)的精確定位，確保超聲波束以最佳角度入射至EUSS。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射角度小于15度時(shí)，EUSS的頻率響應(yīng)最為穩(wěn)定，為此開發(fā)了自動(dòng)對準(zhǔn)算法，通過掃描不同角度下的回波信號(hào)強(qiáng)度，自動(dòng)尋找法向入射方向。

參數(shù)優(yōu)化與數(shù)據(jù)采集：通過定制開發(fā)的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對超聲成像參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)可精確控制發(fā)射頻率（4-10 MHz可調(diào)）、焦點(diǎn)深度、掃描線密度（最高可達(dá)5線/毫米）和接收增益等參數(shù)。特別值得一提的是，系統(tǒng)采用射頻（RF）原始數(shù)據(jù)而非常規(guī)B超圖像進(jìn)行分析，保留了完整的相位和振幅信息，為后續(xù)頻域分析提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

信號(hào)處理與特征提?。簩Σ杉降腞F數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅里葉變換（FFT），將其從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域。研究人員開發(fā)了專門的特征提取算法，通過識(shí)別頻域中的峰值頻率來確定EUSS的當(dāng)前狀態(tài)。該系統(tǒng)采用多掃描線平均技術(shù)（通常同時(shí)分析5條相鄰掃描線），顯著提高了信噪比和測量穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，在法向入射條件下，系統(tǒng)的頻率測量均方根誤差（RMSE）可低至0.032 MHz。

實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的回波頻率檢測限可達(dá)374.4 Hz，具備高靈敏度和穩(wěn)定性。即便在高達(dá)15°的傾斜角度下，系統(tǒng)仍能通過頻率變化判斷入射角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)與對齊。

▍多場景應(yīng)用，從力反饋夾爪到體內(nèi)藥物遞送

用于無線力傳感和反饋拾放操作的微型夾持器

在許多臨床操作中，如組織活檢或細(xì)胞操作，需要對夾持力進(jìn)行精確控制。力過大可能導(dǎo)致組織損傷，力過小則無法有效抓取。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種磁性軟體夾持器，其末端集成兩個(gè)EUSS單元。當(dāng)夾持器接觸物體時(shí)，EUSS發(fā)生形變，通過超聲回波頻率的偏移可計(jì)算出實(shí)際受力。實(shí)驗(yàn)顯示，該夾持器的力靈敏度達(dá)到6100 Hz/mN，分辨率高達(dá)61.3 μN(yùn)——足以安全地操作鮭魚卵這類脆弱對象。

在超聲圖像的實(shí)時(shí)引導(dǎo)下，夾持器可完成對魚卵的抓取、移動(dòng)與釋放，全程力反饋確保操作在安全閾值內(nèi)進(jìn)行。這一能力對于未來實(shí)現(xiàn)體內(nèi)組織力學(xué)測量或微創(chuàng)手術(shù)具有重要意義。

用于無線振動(dòng)感知和反饋導(dǎo)航的微型螺旋型機(jī)器人

在動(dòng)態(tài)生理環(huán)境中，許多信號(hào)具有節(jié)律性，如心跳或血管搏動(dòng)。這些振動(dòng)既是信息來源，也可能是風(fēng)險(xiǎn)來源——例如在腦部導(dǎo)航中，機(jī)器人的尖銳端可能刺傷血管。

為此，研究人員設(shè)計(jì)了一種螺旋型磁性機(jī)器人，其表面集成了EUSS用于振動(dòng)感知。在人工血管模型中，機(jī)器人能根據(jù)接收到的振動(dòng)頻率變化判斷與血管的距離：頻率偏移越小，距離越遠(yuǎn)；偏移越大，距離越近。這種信息可用于實(shí)時(shí)調(diào)整導(dǎo)航路徑，避免碰撞重要組織。

用于體內(nèi)無線劑量傳感和目標(biāo)遞送的微型膠囊機(jī)器人

藥物遞送的精準(zhǔn)性直接影響治療效果。傳統(tǒng)口服或靜脈注射難以實(shí)現(xiàn)局部高濃度給藥，而微型機(jī)器提供了新的解決方案。

團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種膠囊型機(jī)器人，內(nèi)部包含藥物儲(chǔ)腔、磁性活塞和與EUSS連接的軟條。當(dāng)外部磁場驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，藥物被推出微孔，同時(shí)EUSS受拉發(fā)生形變。通過監(jiān)測回波頻率的變化，系統(tǒng)可反推出釋放的藥物體積。

在離體豬胃實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)了多級(jí)劑量釋放，單次最小釋放量可達(dá)0.618 μl。在活兔實(shí)驗(yàn)中，通過熒光與超聲雙模成像引導(dǎo)，機(jī)器人在胃部精準(zhǔn)釋放藥物，并實(shí)時(shí)反饋劑量數(shù)據(jù)。這表明該技術(shù)有望用于癌癥局部化療或胃腸疾病治療。

用于體內(nèi)無線粘度傳感和操控的微型粘度計(jì)機(jī)器人

血液、消化液等體液的粘度變化與多種疾病相關(guān)，但現(xiàn)有檢測方法多需抽血或內(nèi)窺鏡取樣，無法實(shí)現(xiàn)長期原位監(jiān)測。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種粘度傳感機(jī)器人，其振動(dòng)板由磁驅(qū)材料制成，與EUSS相連。在旋轉(zhuǎn)磁場中，振動(dòng)板發(fā)生周期性運(yùn)動(dòng)，其振幅受周圍流體粘度阻尼的影響。通過EUSS檢測振動(dòng)幅度對應(yīng)的頻率偏移，即可推算出環(huán)境粘度。

在離體豬胃模型中，機(jī)器人成功區(qū)分了不同粘度的液體，甚至檢測到注入血液后的粘度變化。在活豬實(shí)驗(yàn)中，通過導(dǎo)管將機(jī)器人送入胃內(nèi)，成功實(shí)現(xiàn)了對模擬消化液的粘度監(jiān)測。

用于體內(nèi)無線溫度傳感和加熱的磁性溫度計(jì)機(jī)器人

溫度在炎癥檢測、腫瘤熱消融等場景中至關(guān)重要，但現(xiàn)有技術(shù)難以在微型尺度上實(shí)現(xiàn)無線、實(shí)時(shí)的溫度感知與調(diào)控。

溫度計(jì)機(jī)器人采用雙金屬螺旋結(jié)構(gòu)作為熱敏元件，其熱膨脹效應(yīng)會(huì)拉伸EUSS，引起頻率變化。實(shí)驗(yàn)顯示，在30°C–60°C范圍內(nèi)，該機(jī)器人的溫度靈敏度為1200 Hz/°C，分辨率達(dá)0.31°C，完全滿足臨床熱消融的反饋需求。

在離體豬肝組織實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人在射頻消融過程中持續(xù)監(jiān)測溫度變化，避免了組織過熱損傷。在活體豬模型中，多次熱調(diào)控實(shí)驗(yàn)均顯示系統(tǒng)能可靠反饋溫度數(shù)據(jù)。