MIT研发出可吞服的小型折叠机器人，可帮助排出异物

编者按： 每一年，仅仅在美国就会发生3500例误食纽扣电池的案例。通常情况下，这些纽扣电池可以自然排出体外。但是如果这些电池与食管或者胃部组织长时间接触，可能会引起电流，生成氢氧化合物，并灼伤组织。现在有一种折叠机器人，可装于胶囊吞下，帮助排出电池。这将是一个极具创新性与实用性的发明。

来自麻省理工学院，谢菲尔德大学，东京工业大学的研究者们在一个模拟人体食管与胃部的实验中，展示了一个微小的可折叠机器人。 这个机器人能够从一个可吞服的胶囊中展开，在外部磁场作用下进行转向或者沿胃壁爬动，并挪走被误食的纽扣电池或者进行伤口缝补。

研究者们在近日的国际机器人与自动化会议上公布了这个最新的成果。这是MIT电气工程与计算机工程学院荣誉教授丹妮拉·鲁斯（Daniela Rus）教授课题组有关可折叠机器人研究的最新进展。

鲁斯说，“看见我们的小型折叠机器人在医疗保健领域所具有的重要的潜在应用，实在太激动人心了。”鲁斯教授同时还是MIT计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）的负责人。“对于那些人体体内的应用而言， 理想的机器人应该是体积小，操控性好，并且无需线缆连接 。有线缆连接的机器人难以置入体内，而且难于控制。”

本文的第一作者是宫下修平（Shuhei Miyashita），这是他在CSAIL做博士后的时候完成的工作，他现在是英国约克大学电子系的一名讲师。本文的其他作者还有史蒂夫·古特朗（Steve Guitron），他是机械工程系的一名研究生。李曙光（音译，Shuguang Li），CSAIL的博士后；来自东京工业大学的吉田和宏（Kazuhiro Yoshida），在这项研究开展时，他是MIT的访问学者。此外，还有英国谢菲尔德大学的德纳达·米安（Dana Damian）。

尽管这个新型机器人是去年发布的可折叠机器人的第二代，这个新型机器人的结构发生了非常显著的变化。如同第一代一样，这个机器人依赖所谓的“蠕动”（Stick Slip）方式进行前进。在移动时，这个机器人的副肢首先利用摩擦力与物体表面粘附在一起，接着这个机器人通过改变重量分配实现表面展开，继而实现自由地滑动。

新型折叠机器人与第一代另一点相似之处在于，这个机器人是三明治结构： 上下两层结构材料夹着一层遇热收缩的材料 。当中间层收缩时，机器人的将发生变形，其形貌由外层材料上的裂缝图案所控制。

这个机器人的潜在应用同时还决定了结构上的改进。特朗说，“ ‘蠕动’变形需要满足两个条件，其一，机器人必须足够小，其二，机器人的刚度必须足够高。 原先的Mylar设计的刚度比新型机器人高得多，因为新型机器人使用了生物相容材料。”

为了弥补生物相容材料的易变形的特点，研究者们想出了一个新型的设计，减少了所需要的裂缝数量。这一设计的优点在于，当机器人收缩时，沿着某些特定轴向的刚度有所提高。

由于人体胃部充满了液体，机器人不能完全依赖于“蠕动”的方式进行运动。宫下说，“根据我们的计算，机器人运动时， 20%是以推动水流的方式前进，剩下80%是以蠕动的方式前进 。因此，我们在机器人设计过程中，积极地引入并且运用了 仿鱼鳍特征 ，因此这个机器人拥有相对扁平的设计。”

同时，机器人必须能承受足够的压缩，使之能放入一个可供吞服的胶囊内。相似的，当胶囊被溶解后，作用在机器人上的力必须足够强大，使其能够完全展开。经过研究者们的反复尝试，最终设计出的机器人具有矩形的外观，同时机器人能沿着垂直于长轴线的方向进行收缩。机器人表面还有用来提供附着力的经挤压而形成的尖角。

在其中一条机器人展开轴线的中心，研究者们放置了一块永磁铁，它能对体外变化的磁场做出响应，并用于控制机器人的运动。施加在机器人上的力主要是旋转力。快速的磁场旋转将使机器人在原位发生转动，但是缓慢的磁场旋转将使机器人围绕着其固定的支撑点进行转动。

研究者们测试了数十种不同的结构材料，最终确定使用一种用做香肠肠衣的干燥猪内脏组织。李曙光说，“为了寻找这些材料，我们花了很多时间逛亚洲超市和唐人街市场。”中间收缩层使用的是一种叫做Biolefin的可生物降解材料。

为了设计他们的人工胃，研究者们买回来了一个猪胃并测试其力学性能。最终，他们的人工胃是利用与猪胃具有相近力学性能的硅橡胶做成的食管与胃。人工胃里，使用水与柠檬汁的混合液来模拟胃内酸性环境。

为了证明误食的纽扣电池是件很可怕的事，宫下买回来了一片火腿，并 将电池放置在火腿片上。不到半个小时，电池就完全融入火腿中 。这让我意识到，这确实是一个很重要的应用。如果你体内有一颗电池，你确实应该尽快想办法把它取出来。

“ 这个机器人具有很高的创新性与实用性。同时它用很简洁的方式解决了一个医疗上的需求。 ”苏黎世联邦理工的机器人教授布拉德利尼尔森评（Bradley Nelson）论道，“这是在折叠机器人领域，我所见过的最具有说服力的应用之一。”

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