北京
2月29日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了国家脉冲强磁场科学中心李亮教授、曹全梁教授团队在新型磁控胶囊机器人开发方面的最新研究成果，论文题为“面向生物医学应用的多模态响应和多功能磁驱动胶囊”（Magnetically driven capsules with multimodal response and multifunctionality for biomedical applications）。
华中科技大学为该论文唯一完成单位，国家脉冲强磁场科学中心博士生孙宇轩、张望为共同第一作者，李亮教授和曹全梁教授为共同通讯作者，华中科技大学计算机科学与技术学院宋恩民教授、同济医学院附属协和医院蔡开琳教授、生命科学与技术学院邱武教授，以及国家脉冲强磁场科学中心韩小涛教授、吕以亮副研究员、欧阳少威博士后等参与了相关研究工作。
磁控胶囊结构及医学应用示意图
胃肠道疾病严重危害人民生命健康，发展高效早诊早治技术对于保护胃肠道健康具有重要意义。然而，目前有线式电子内窥镜和无线式胶囊内窥镜均存在明显局限性，亟待创新突破：前者具有诊疗一体化功能，但常伴有强烈不适感且存在禁忌症等问题；后者无痛、无创，但以图像诊断为主，无采样和给药等治疗功能。
近年来发展起来的磁控胶囊机器人技术，因磁驱动方式具有非接触、高可控性和穿透性能好等优势而被认为是最理想的胃肠道疾病诊疗手段之一，但现有磁控胶囊机器人主要采用内置永磁体的设计模式，普遍存在体积大（尺寸大于#00号胶囊，8.53×23.3mm）、载药量低以及医疗功能单一等问题。
针对上述问题，团队将磁控软体机器人技术引入到胶囊结构设计中，在传统密闭式胶囊本体结构中构造了独特的磁性软体通道（由双层硬磁性软体复合材料构成），并通过梯度磁场力和磁力矩竞争式通道开闭状态调控方法，实现无磁场下的胶囊通道自关闭和外加磁场下的柔性可控开启，为破解胶囊内腔与胃肠道环境间物质双向交互难题提供了有效途径。
同时，通过磁性软体通道的单向净剩磁设计以及整体-局部磁动力学响应解耦式驱动，攻克了传统胶囊机器人运动及功能模式单一、拓展性差等瓶颈，为实现胶囊机器人整体主动靶向输运和局部多模态磁响应提供关键技术支持。
在此基础上，团队成功研制集主动靶向输运、定点采样与多重给药等功能于一体的微型（最小尺寸仅5.8×13mm）磁控胶囊机器人系统，涵盖胶囊机器人本体、三维磁驱动线圈-电源-控制装置及应用平台等，并先后通过理想模型实验、动物体外器官模型实验、动物体内实验等功能验证评估，展现出其在胃肠道疾病诊疗中的应用潜力。
新西兰兔体内药物可控释放功能验证
磁控胶囊机器人拓展功能展示：多重药物释放与低频靶向运输-高频磁电转化激励
近年来，团队在磁控软体机器人技术及应用研究领域取得系列进展，相关成果相继发表在Nano Energy（2021年)、Advanced Intelligent System（入选期刊编辑选择，2023年)、Composite Communications（2023年）、Applied Materials Today（2023年）等期刊，获授权中国发明专利10余项、美国发明专利1项，并荣获2023年全国大学生机器人科技创新交流营暨机器人大赛特等奖、“申昊杯”第五届中国研究生机器人创新设计大赛一等奖等荣誉。
该项研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体和国家脉冲强磁场科学中心学科交叉基金的资助，并得到国家脉冲强磁场科学中心磁性材料性能调控及磁性测量等实验测试平台的大力支持。
本文来源：国家脉冲强磁场科学中心
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