新 型柔性智能驅(qū)動器

會“彈指”“跳躍”的機器人

●創(chuàng)新點

柔性智能驅(qū)動器可將光、電、熱等外部能量直接轉(zhuǎn)化為器件本身的機械變形，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)雜生物運動進行模擬的柔性驅(qū)動器的研究仍面臨挑戰(zhàn)。合肥工業(yè)大學(xué)科研團隊與中國科學(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)計制備了一種具有卷曲形狀的驅(qū)動器，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)動器。該驅(qū)動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，并且在電信號或者光照信號撤除后恢復(fù)到原始卷曲形狀。通過形狀設(shè)計，研究人員將該驅(qū)動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“跳躍”機器人。該機器人在光照下兩個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)生跳躍運動，其跳躍高度可達(dá)自身高度的5倍以上，并伴隨空中翻滾動作。通過改變?nèi)肷涔夥较颍摍C器人還可產(chǎn)生類似于不倒翁的周期性搖擺運動。

應(yīng)用前景

跳躍運動涉及能量的存儲以及瞬間釋放。傳統(tǒng)跳躍機器人需要通過彈簧、齒輪等一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計來積累、存儲和快速釋放能量，從而實現(xiàn)跳躍運動。而通過柔性仿生智能驅(qū)動材料器件模擬“彈指”這一日常行為，為實現(xiàn)跳躍運動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)動器為基礎(chǔ)，進一步研發(fā)了光驅(qū)動/電驅(qū)動爬行機器人、抓取物體的仿生機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

可重建人類整個表皮

●創(chuàng)新點

大皰性表皮松解癥是一種先天性皮膚病，其基本機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)過進一步的增殖后，產(chǎn)生足夠多的表皮，再進行移植，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 生物降解的納米機器人

可用磁場進行控制

●創(chuàng)新點

幾十年來，生物醫(yī)學(xué)工程師一直試圖制造智能給藥機器人和手術(shù)微型機器人，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)試驗各種形狀的人造機器，有桿狀的、管狀的、球狀的，甚至是比一個細(xì)胞還小的籠子狀的。為這些微小設(shè)備持續(xù)供能一直是項挑戰(zhàn)，因為大多數(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，微型機器人的運動方向難以控制。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器人，運用可穿透人體且不會造成傷害的磁場解決了這些問題。

●方法和結(jié)果

這種機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)微型機器人進入體內(nèi)深層，無法通過熒光跟蹤時，仍可通過磁共振繼續(xù)追蹤。機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)遙控機器人。此外，機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。這些機器人擁有在人體內(nèi)難以觸及部位中進行受控作業(yè)的潛力，使它們有可能用來進行微創(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，該研究也是一項研發(fā)多功能微型機器人和納米機器人設(shè)備的概念驗證，為微型機器人的發(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.