超声“微泡肌肉”驱动仿黄貂鱼机器人 新技术有望革新微创手术与精准给药

瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）科研团队近日发布了一款仿生“黄貂鱼机器人”（stingraybot），利用超声驱动的微泡人工肌肉实现游动，不依赖电缆或机载电池供能，被认为在外科手术、精准给药、软体机器人以及野生动物研究等领域具有广阔应用前景。这项成果已发表于最新一期《自然》期刊，论文题为《Ultrasound-driven programmable artificial muscles（超声驱动可编程人工肌肉）》。

这款“黄貂鱼机器人”宽约4厘米，通过模拟真实黄貂鱼胸鳍的波浪式振动实现推进。其核心在于一种特殊的硅胶薄膜：研究团队利用微结构模具在薄膜上制出仅约十分之一毫米深、与人类头发直径相当的微孔，薄膜浸入液体后微孔会捕获空气形成“微气泡”，成为可被远程操控的“肌肉单元”。

通过向薄膜发射超声波，研究人员可以在毫秒级时间内精确控制这些微泡发生形变，使整块薄膜产生弯曲或波动，从而驱动机器人运动。团队负责人、苏黎世联邦理工学院声学机器人教授Daniel Ahmed表示，能在如此微小结构上实现类似生物体“波动式运动”（undulatory locomotion），证明微泡不仅能完成简单形变，还能编排出复杂的运动模式。

微泡排列方式决定了“肌肉”的运动形式：当薄膜上气泡大小统一时，整体主要根据超声信号的振幅发生弯曲；当气泡大小不一时，不同尺寸气泡对不同频率的超声产生选择性响应，从而在薄膜上形成连续的波浪式传播，实现类似鱼类游动的起伏运动。正是这种可编程的弯曲与波动组合，使得黄貂鱼机器人在水中展现出逼真的仿生游姿。

相比传统由金属、硬塑料或复合材料构成的刚性机械结构，这种超声驱动软体系统具备更高柔顺性和安全性，尤其适合在狭窄、弯曲、结构复杂的空间内执行任务，例如人体消化道或脏器表面。Ahmed团队认为，这类“可听见的肌肉”将为手术器械、生物操作工具以及新一代软体机器人提供全新的设计思路。

在具体应用探索中，研究人员已经利用同一技术制作出一款微型“柔性抓取器”。论文共同第一作者、Ahmed的前博士生张智远（Zhiyuan Zhang）介绍，他们用该抓取器成功夹取并释放了一条斑马鱼幼体，整个过程未对其造成损伤，“幼体随后依然能够正常游动”，展示了系统在精细、生物友好操作方面的潜力。

团队还开发了一种基于微泡肌肉的“软体轮式机器人”，并在猪肠道模型中完成了远程导航测试。另一位共同第一作者施展（Zhan Shi）指出，肠道内腔狭窄、弯曲且表面不规则，对机器人运动构成极大挑战，而该软体轮式结构仍能在其中推进，说明这类系统在复杂体内环境中具有可行性。

除运动平台外，研究团队还制作了可贴附在弯曲表面上的超声激活给药贴片，并在组织模型中实现了精确释放染料的实验验证。未来如果进一步成熟，这一技术有望演化为体内精准给药方案：例如将可卷曲的“黄貂鱼机器人”折叠装入可吞服胶囊，进入消化道后展开，在超声指令下于目标位置释放药物，从而在无需手术的情况下进行局部治疗。

研究者设想，这类微泡人工肌肉不仅可以在胃肠道中执行任务，还可能作为“心脏贴片”等植入式辅助手段，贴附于跳动心脏表面，配合超声调控，实现对心肌运动或局部治疗的辅助。目前相关技术处于实验室阶段，但已在动物模型和组织模型中展现出良好可控性与安全性，为未来临床转化奠定了基础。

据苏黎世联邦理工学院介绍，超声驱动可编程人工肌肉是其在声学机器人与软体医疗器械研究方向上的重要进展，后续团队将继续优化微泡结构、材料生物相容性及超声控制策略。科研人员期待，随着这类仿生软体系统迭代成熟，“黄貂鱼机器人”及其衍生平台有望成为手术室、内镜检查和体内精准治疗中的新型“隐形助手”。