嵌入式超声软传感器与磁驱微型机器深度一体化

具备无线传感与操控能力的智能微型系统，被认为是推动生物医学应用的重要方向。但在毫米乃至更小尺度上，传感与驱动往往互相“打架”，使系统难以同时做到小型化、稳定和高性能。近期发表于《科学•机器人学》期刊的一项研究提出了新的解决方案。

华中科大臧剑锋、唐翰川团队联合港中文张立团队提出微机器人传感器“Robotic Sensor”方案：将嵌入式超声软传感器（EUSS）与磁驱微型机器深度一体化，并在机体上设计机载换能单元（onboard transducers）。系统依靠无源超声通信配合外部磁场，实现对力、振动、黏度、温度等关键参量的无线检测与调控；在兔/猪模型中进一步展示了闭环控制、精准给药、在体监测的可行性。论文以“Miniature magneto‑ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation”为题，发表于Science Robotics。论文通讯作者为华中科技大学臧剑锋教授、唐翰川副教授及香港中文大学张立教授，第一作者为香港中文大学博士生刘旭睿与华中科技大学唐翰川副教授。

研究缘起|为什么“小而全”这么难？

在毫米或者更小尺度，要把磁驱、稳定的通信和高灵敏的传感装进同一台微机器，会出现多重牵制：

• 电池式生物电子：体积与质量上升，磁驱机动性下降；
• 电磁耦合：通信距离短、对环境场敏感、易互扰；
• 磁—机械谐振器：靠近铁磁体容易改频，精度与稳定性受影响；
• 超声方案：虽具深穿透、对磁场不敏感的优势，但一直缺乏微型化、易集成的实现路径。

解决思路|微型机器人传感器

把超声软传感器直接做成微机器结构的一部分，让它既是环境接口也是读出端口。

图1：机器人传感器的设计与工作机理

• 二维声子晶体：在硅橡胶基体内有序嵌入空气腔阵列，形成结构相关声学带隙；
• 工作机理（图1D）：外部磁场驱动→机器产生微形变→微泡阵列形变→超声反射频谱出现可测频移；
• 读出方式：完全无源，外部超声探头接收回波并分析，无需机载电子/电池，也不依赖传统模/数链路；

图2：传感器表征与性能评估

在水槽模拟软组织开展角度与频谱表征：实验装置见图2A。法向入射回波峰≈6.13 MHz；θ=0°时随φ变化基本不变（图2B）；θ增至15°出现明显角度依赖，法向幅值最大（图2C），±θ谱形对称（图2D）。结合成像与频率映射，EUSS在不同模量材料中保持≈6 MHz选择性反射（图2E–G），>10 cm及猪离体组织内可稳定通信。循环加载显示频移随应变2–20%单调变化（图2H、2I）；在5%预载下，0.1%/0.2%应变亦能引起频偏（图2J）。

图3：磁软夹持器的无线力反馈与螺旋磁机器人的振动感知

临床夹持器广用于取样与操作，但缺乏力反馈，夹持过大易致并发症；而在毫米尺度，将无线力传感与磁驱一体化又很困难。作者构建集成双EUSS的磁软夹持器（图3A）：铁磁软聚合物实现无线磁驱，接触时EUSS顺应形变并以超声频移读出受力，标定灵敏度6100 Hz/mN、分辨率61.3 μN（图3D）。在超声引导下完成对3 mm鲑鱼卵的抓取—提升—释放，力始终受控（图3B–C）。进一步面向脑组织等场景，提出带EUSS的螺旋型磁机器人用于搏动振动感知与反馈导航（图3E）。在软组织仿体中，远离血管频移Δf1<0.005 MHz，靠近时Δf2>0.04 MHz，提供安全距离指示并指导改变路径（图3F–G）。

图4：具备精准剂量感知与定点给药功能的无线胶囊机器人

精准控释与剂量监测是药物递送的核心难题，尤其在无线的小尺度场景。作者提出机械响应型胶囊机器人：储液腔（≤150 μL、双50 μm微孔）+磁嵌活塞+EUSS软条（图4A）。外磁场推动活塞压缩腔体，使近不可压液体被定量推出，同时拉伸EUSS并产生回波频移Δf，实现“边释放、边计量”（图4B）。在猪胃离体模型中完成滚动导航与定点释放（图4C），频移呈阶梯信号，可反演单次释放体积V1–V5≈2.98、1.86、0.735、0.655、0.618 μL（图4D）。在兔胃体内，X线+超声双模引导定位（图4E–G），三次剂量几乎一致（4.49、4.91、4.53 μL），并可扩展至更大剂量调控（图4H，图S29）。结果表明该平台兼具无线操控与精准剂量感知，适用于在体靶向递送。

图5：用于原位无线黏度监测的磁性机器人

体液黏度与多种疾病密切相关，但现有监测多侵入、难以长期原位。作者提出黏度计微机器人：由振动片-EUSS-支撑/底座组成（图5A），在旋转磁场下振动，流体黏滞阻尼使EUSS产生周期拉伸并引起超声频移Δf（图5B–C）。标定表明在1–8 mPa·s范围，指标Δf1-Δf2随黏度升高单调减小（图5D）。在猪模型中，经导管将机器人置入胃部，透视、内镜与超声联合定位（图5E–H），注入PBS/7 mPa·s模拟胃液与血液后，系统可在数秒内实时读出黏度变化（图5I）。

图6：可实时温度监测与热消融的无线磁性机器人

热疗与炎症监测亟需实时温度读数，缺乏反馈易致穿孔等并发症。作者提出“磁温度计机器人”，由EUSS、螺旋双金属片与磁驱加热端组成（图6A）。温度变化致双金属各向异性膨胀，牵引EUSS产生超声频移Δf，无线测温；同一结构亦可受RF加热用于治疗（图6B–D）。系统在30–60°C稳定工作，55°C时Δf≈0.451 MHz，灵敏度≈1200 Hz/°C、分辨率≈0.31°C（图6C）。在猪肝离体消融中，频移随加热/冷却呈可逆曲线并与温度拟合良好（图6E–G）。在猪体内，机器人经定位进入胃部，三次10 s RF加热，超声持续读出36–38°C波动（图6H–J）。平台实现“感知+加热”一体化，为安全热消融提供闭环支持。

总结|无线感知+反馈操控

微型机器要“能感能控”，长期受制于小型化、时空分辨率、通信距离与传感-驱动互扰等难题。本研究将嵌入式超声软传感器（EUSS）与磁驱微型机器深度耦合，构建无线传感平台，可检测并调控力、振动、黏度、温度等信号，在体外/在体完成微操作、靶向给药与生理监测验证。EUSS稳健小型、应变分辨高、通信深入，一器多用（传感/处理/天线），与执行器同体集成且不降性能；通过调整振动片、双金属尺寸等结构参数可扩展量程与灵敏度，并可继续缩小传感/换能单元。该平台为微型机器引入“本体感知+外界感知”为微型机器在医学应用的发展提供新的思路。

论文链接：

https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851