浙大许超团队新成果！ “血管盾构机”毫米级机器人：声音如何隔空赋予动力？

如果把机器人缩小到几毫米，最先消失的可能不是机械臂，而是“发动机”。

电池没地方塞，电机尺寸受限，拖着电线又很难在狭窄环境中自由移动。于是微型机器人一直有个很现实的问题：身体越来越小，动力从哪来？

浙江大学许超团队最近给出了一种新方案，把动力交给了“声音”。

他们造出了一枚长约6毫米、直径2.5毫米的螺旋机器人。机器人本体没有电池，也没有传统电机，外部布置的压电换能器产生超声场，负责给它提供动力和方向控制。

它可以在管道中向前推进、高速自旋，也可以爬过30°、60°斜面，完成90°垂直运动；进入S形和Y形复杂通道后，还能转弯、选路。最后，研究人员把它送进了内径约3毫米的离体猪静脉，它依然完成了前进和反向返回。

某种意义上，一台毫米级“血管盾构机”的技术原型出现了。

显微镜下的毫米级螺旋机器人

这项研究近日发表于Elsevier旗下期刊《Ultrasonics》，论文题为《Acoustic-driven millimetric helical robot: Ultrasonic synergistic manipulation in confined fluidic environments》

研究由浙江大学工业控制技术全国重点实验室、智能系统与控制研究所牵头，并联合浙江大学湖州研究院、浙江大学药学院、湖州职业技术学院、湖州师范大学等单位完成。

01.

没有发动机，“声音”就是发动机

这枚机器人乍看并不复杂。

长6毫米，直径1.5-2.5毫米，表面绕着螺旋沟槽，像一枚被缩小的螺丝。驱动它的装置反而在外面。研究人员在水槽四周布置了四块可以独立控制的PZT压电换能器，主要在45—55 kHz范围内工作。通过改变不同换能器的激活组合、频率和相位，机器人周围的声压和流场也会随之发生改变。

具体来说，机器人真正跑起来，主要靠两股力量。

第一股是声辐射力（Acoustic radiation force）。

声波碰到机器人后会发生散射和反射，同时完成动量传递。对机器人来说，相当于外部声场直接给了它一个可以控制方向的“推力”。

第二股是声流（Acoustic streaming）。

高频声波在液体里持续振荡，一部分声学能量会因为黏性耗散和边界层效应转化成稳定的流体运动。液体沿着机器人的螺旋结构流动，又会进一步让机器人产生旋转和推进。

一边推，一边转，螺旋结构再把旋转变成向前运动。

于是，传统机器人“电池—电机—传动”的动力链，在这里变成了：体外压电换能器 → 超声场 → 声辐射力+声流 → 机器人旋转和平移。

真正关键的是，研究团队进一步通过多物理场仿真和PIV粒子图像测速实验发现，当多个PZT同时参与工作时，声场之间能够形成协同作用，明显强化流场；改变换能器的激活组合、频率和相位，又可以重新塑造声场。

这意味着，想让机器人改变动作，不一定要改机器人，重构外部声场就行。

02.

不只是往前冲，它开始会“选路”

对于血管机器人来说，速度当然重要，但只有速度远远不够。

真实血管不是一根笔直玻璃管。它会弯曲、分叉，方向不断变化。一个只能沿直线猛冲的微型机器人，再快也很难真正有用。

因此机动性也是迈向生物医学应用的一项重要指标。

在不同倾角的微流体通道中，这枚螺旋机器人完成了水平运动、30°和60°倾斜运动，以及90°方向上的垂直推进。再把环境变复杂，它又进入S形和Y形通道。

S形通道考验的是连续过弯。Y形通道则考验的是路线选项（走到岔路口，机器人必须决定向左还是向右）。

团队的方法仍然没有给机器人增加舵机，而是通过半自主路径跟随的方式，切换不同位置的PZT换能器、重新调整声场，让推进方向发生变化。实验显示，机器人能够分别进入Y形通道左右两条支路。

性能上的跨越同样明显。

对比公开同类研究约100 μm/s的运动速度，这款机器人在生物血管环境中达到约12 mm/s，快了约百倍；在普通管道中最高可达100 mm/s，自转接近每分钟千转。

更重要的是，它已经不只会直线前进，而是实现了平面、倾斜、垂直、转向和往返运动。

可见，声学操控跨过去的，不只是速度，还有从微米到毫米、从“能动”到“可控”的尺度门槛。

03.

真正的一关：开进3毫米猪静脉

机器人的复杂运动，最终并不是为了让机器人在管道里“秀操作”。它真正瞄准的，是血管内的微操作。

心血管疾病至今仍是全球最主要的死亡原因之一，血栓导致的血管堵塞又是心肌梗死、缺血性卒中等急症的重要诱因。对于毫米级机器人而言，如果未来能够在体内被实时定位并精准控制，它就可能把药物直接送到病灶附近，甚至搭载显影、传感或取样模块，进入更深、更细的分叉血管。

因此，研究真正需要回答的的问题是：人工管道里能跑，换成真实血管还能不能跑？因为血管不是玻璃管。它柔软、有弹性，会吸收和衰减声波；机器人与血管壁之间还有摩擦，整个声场也会因此发生变化。

于是研究人员找来了新鲜离体猪静脉。

测试用静脉内径约3毫米，与直径2.5毫米的机器人已经相当接近。机器人首先在玻璃管内前进，速度达到19.1 mm/s；穿过玻璃管与血管组织的交界面后，它没有明显“趴窝”，在静脉中的速度仍达到17.4±0.5 mm/s，约为原速度的91%。5秒内，它跨越了超过80毫米的玻璃管—血管复合通道。

接下来更像一次真正的“遥控驾驶”。

机器人进入静脉后，研究人员反转声场方向。它先减速到停止，然后掉头反向运动，最高反向速度达到9.7±0.5 mm/s，最终在约9.5秒时返回起点。整个双向过程中，位置控制精度维持在±0.3毫米。

这一步的意义比单纯刷新速度更大。

从静态玻璃管，到柔性的离体猪静脉；从只能向前，到能够转弯、倒车等导航作业——这枚长得像鲨鱼卵、游得像大肠杆菌的“声波螺丝”，正在一点点接近真正的血管环境。

也许未来，它不只是血管里的“快递员”，还可能成为血栓附近的“侦察兵”和“施工队”：先找到堵点，再把药物送到最需要的位置，甚至配合现有导管和取栓装置完成更精准的局部治疗，而完成这些，仅仅依靠我们看不见的“声音”。

04.

未来与结语

看到这里，很容易继续想象下一幕——枚高速旋转的毫米机器人沿血管抵达病灶，在血栓附近高速自旋，像微型钻头一样完成局部治疗作业。

但这一步，现在还没有发生。

这项研究尚未开展血栓破除实验，也没有进入活体动物。猪静脉测试仍是在离体、静态、无真实血流的条件下完成。真正进入人体后，机器人还要面对血流冲击、脉动、壁面剪切力以及更复杂的血液—机器人相互作用。

超声安全也是另一道门槛。当前实验没有观察到明显空化、气泡形成或宏观组织损伤，但要走向活体，还需要进一步评估声强、组织衰减、局部温升和长期生物效应。实时体内成像、闭环导航以及材料生物相容性，也都需要继续解决。

所以，更准确地说，今天出现的还不是一台真正能够“钻血栓”的机器人，而是一个毫米级“血管盾构机”的机械原型。

但这并不削弱这项工作的意义。

它意味着，声学操控开始从微米级液滴、颗粒和微型结构，走向一个能在复杂通道中高速运动、转弯、选路，并进入真实生物血管环境的毫米级功能机器人。

当机器人尺度减小时，动力与控制系统未必需要同步集成到机器人本体中，而可以由体外可编程声场提供，从而降低机器人结构复杂度，并为无缆化、非接触式驱动提供新的技术路径。

未来，在完成进一步微型化、生理血流验证、闭环成像控制和系统性安全评价后，这一平台有望为靶向药物递送、血管内病灶探测及血栓辅助治疗等应用提供新的研究基础。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ultras.2026.108233