这是一篇发表于《自然·通讯》杂志的研究论文，主要作者包括Lin Zhang, Sicheng Xing, Haifeng Yin, Hannah Weisbecker, Hiep Thanh Tran, Ziheng Guo, Tianhong Han, Yihang Wang, Yihan Liu, Yizhang Wu, Wanrong Xie, Chuqi Huang, Wei Luo, Michael Demaesschalck, Collin McKinney, Samuel Hankley, Amber Huang, Brynn Brusseau, Jett Messenger, Yici Zou 和通讯作者 Wubin Bai。他们主要来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校的应用物理科学系、生物医学工程系、心脏研究所、生物学系和化学系，以及北卡罗来纳州立大学、普渡大学等合作机构。该研究于2024年5月在线发表。

学术背景与研究目标

该研究属于生物医学工程与柔性电子学的前沿交叉领域，其灵感源于脊椎动物骨骼肌与感知皮肤的紧密整合。在生物系统中，嵌入柔软皮肤中的各种感受器（机械、热、痛觉等）收集信息并指导肌肉运动，实现智能的感知-行动循环。然而，现有的植入式机器人或医疗设备往往难以实现执行器、传感器和控制器在保持物理柔软性和生物相容性前提下的无缝集成，这限制了它们在动态、非结构化的生物环境（如人体内部）中安全、有效、持久地工作。

因此，本研究旨在提出一种普适性的设计策略，创造一种受生物启发的、具备感知能力的软体机器人，作为新一代电子植入体。其核心目标是模拟“皮肤-肌肉”的协同关系，将多功能传感（电子皮肤， e-skin）与按需驱动（人造肌肉， artificial muscle）整合到一个生物相容的无线平台上，实现结构自适应、无应力接触组织、以及具有时空精度的多模态诊疗功能。

详细研究流程与方法

本研究的工作流程包含几个紧密衔接的环节：仿生设计理念与通用制造策略的提出、多功能电子皮肤与驱动层的材料制备与集成、机器人结构设计与运动验证、无线传感与驱动模块的开发、以及面向不同器官的特定应用演示与体内外验证。

首先，多功能感知软体机器人的构建。研究团队采用了“原位溶液加工法”来制造电子皮肤层。这种方法的核心是将功能性纳米材料（如银纳米线AgNWs用于加热器和应变传感器，还原氧化石墨烯rGO用于温度传感器，MXene或PEDOT:PSS用于电极和化学传感）直接滴涂并图案化在基底上，然后旋涂液态聚酰亚胺并固化。液态PI能渗透到纳米材料网络中，形成纳米复合材料，将各功能元件“原位”封装在同一个聚合物基体内。这种方法减少了界面电阻，提高了机械一致性和灵敏度，并能在一个单一步骤中集成多种传感器，形成多模态感知系统。电子皮肤层最终被超薄的聚对二甲苯封装以增强耐用性。

人造肌肉层则选用聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶。这种热响应水凝胶在温度超过其较低临界溶液温度（LCST，约32-34°C）时会急剧收缩（体积可减少约90%），而在冷却时重新膨胀。通过将电子皮肤层（对温度刺激响应小）与PNIPAM水凝胶层（对温度刺激响应大）粘合在一起，就构成了一个异质双层结构。在热刺激下，由于两侧的不对称响应，整个结构会向水凝胶侧弯曲，从而产生类似肌肉的驱动动作。通过调整水凝胶的配方（如与丙烯酰胺共聚），可以调节其LCST以适应不同的应用场景。

其次，机器人结构设计与运动控制。研究展示了多种仿生结构设计。1) 海星状机器人：将不同的纳米复合传感器（温度、应变等）和电加热器集成到各个“腕足”上，在加热时腕足向内弯曲，实现抓握动作。2) 手性种荚状机器人：在电子皮肤层设计平行条带图案，加热时会产生局部扭曲力矩，最终导致整个结构发生螺旋扭转。3) 可吞服机器人：采用“三明治”结构，即水凝胶肌肉层被两片电子皮肤层在边缘粘合，加热时肌肉层收缩迫使电子皮肤层向外屈曲，使药丸形态的机器人展开成一个3D环形结构，从而滞留在胃中。这些复杂的形态变化通过有限元分析进行了模拟验证，结果与实验高度吻合。

更重要的是，研究实现了具有时空控制的按需驱动。通过在电子皮肤中嵌入图案化的AgNWs/PI电加热器和rGO/PI温度传感器，可以对机器人的特定区域进行局部、独立的电热刺激和实时温度监测。例如，在一个软体机器人手指上布置多个独立加热器，可以使其按顺序逐步卷曲。在一个三臂抓手中，可以独立控制每个手臂的弯曲，实现对目标物体的选择性抓取。这种局部驱动能力极大地扩展了机器人的运动复杂性和任务适应性。

第三，无线传感与驱动集成。为了实现完全无线的植入操作，研究开发了配套的无线模块。无线压力传感采用基于聚丙烯酰胺水凝胶的平行板电容器作为传感核心，与平面电感线圈构成LC谐振电路。当水凝胶电容因压力变化而改变时，谐振频率会发生偏移，通过外部读取探头和矢量网络分析仪可以无线检测这种频率变化，从而实现压力（如血压、膀胱内压）的无线遥测。无线驱动则采用射频能量传输技术。机器人集成了一个铜接收线圈，通过磁耦合从外部发射线圈获取电能，为嵌入的电加热器供电，从而无线触发水凝胶肌肉的驱动动作。研究优化了功率传输频率和效率，并证明了在机器人发生弯曲、扭曲等形变时，无线供能系统仍能稳定工作，确保了在体内动态环境中的可靠性。

第四，面向特定器官的应用演示与验证。研究团队构建了四个具体的应用原型来展示其通用策略的潜力，并进行了体外模型测试和体内动物实验。 1. 膀胱控制机器人抓手：机器人抓手可包裹在人工膀胱（气球模型）上。其集成的3D屈曲应变传感器能连续监测膀胱容积变化，信号通过蓝牙系统芯片无线传输。当检测到膀胱容积达到预设阈值时，控制系统自动触发集成电极进行电刺激（模拟排尿治疗），实现闭环控制。 2. 血管监测机器人袖带：机器人袖带在加热时可螺旋缠绕在人工血管（硅胶管）上。其集成的应变传感器能无线检测模拟脉搏压力，输出信号与管内流体压力呈线性关系，连续捕捉脉搏波形。 3. 可吞服胃部机器人：药丸形态的机器人在胃内自展开成环形以防止排出。其集成的PEDOT:PSS/PVA水凝胶pH传感器可持续监测胃内pH值变化。同时，机器人内部载有药物（以罗丹明B为模型）的PLGA贴片，在胃内环境下可受温度调控实现缓释给药。 4. 心脏治疗用机器人抓握器：这是研究的重点体内验证部分。该四臂“治疗抓手”可通过导管微创递送，在心脏表面通过轻微加热（略高于体温）轻柔包裹跳动的小鼠心脏。其集成了四个应变传感器（分别对应心脏四个腔室）、两个温度传感器和两个电刺激电极。体外细胞实验和组织学分析表明，构成机器人的所有材料均具有良好的生物相容性。体内实验证明，该抓手能安全、稳定地附着在跳动的心脏上，实时监测心包温度。集成的电极能有效传递电脉冲以调节心脏节律。更重要的是，在建立小鼠心肌梗死模型后，分布于不同心腔的应变传感器能够实时、同步、空间分辨地量化局部心肌收缩力的变化，清晰地区分出梗死导致的心室收缩力下降和心率变化。植入两周后，设备仍保持完好且功能正常。

主要研究结果

1. 成功创建了多材料集成的仿生感知软体机器人平台。通过原位溶液加工法，成功将AgNWs、rGO、PEDOT:PSS、MXene等多种功能纳米材料与PI、PDMS等聚合物基体复合，制造出集成了温度、应变、压力、pH传感以及电加热、电刺激功能的超薄、柔性电子皮肤。该电子皮肤能与热响应PNIPAM水凝胶肌肉层牢固集成，形成类似“皮肤-肌肉”的双层结构。
2. 实现了多样化的仿生结构设计与可控驱动。展示了海星（弯曲抓握）、手性种荚（螺旋扭转）、可吞服药丸（平面到3D展开）等多种结构，并能通过嵌入式电路实现局部、顺序的按需驱动和实时温度反馈，证明了设计的灵活性和运动可控性。
3. 开发了高效的无线路传感与驱动方案。基于LC谐振电路的无线压力传感方案灵敏度高（~26.7 kHz/kPa），基于射频能量传输的无线驱动方案效率高（~80%），且能在设备形变下稳定工作，为实现完全无缆化的体内植入奠定了基础。
4. 验证了在多个关键生理系统中的潜在应用。在膀胱、血管、胃和心脏的体外模型及体内（心脏）实验中，验证了这些软体机器人能够实现自适应包裹、无应力界面接触、连续生理信号（压力、容积、pH、收缩应变）监测以及按需治疗干预（电刺激、药物释放）的功能。
5. 在体内心脏应用上取得了突破性演示。尤其值得强调的是，心脏治疗抓手不仅实现了对跳动心脏的轻柔、稳定附着和电刺激，更重要的是，其多通道应变传感能力首次以植入式软体机器人的形式，实现了对心肌梗死前后不同心腔局部收缩功能的实时、在体、空间分辨量化。这为心脏疾病的精准诊断和治疗效果评估提供了全新的工具可能性。
6. 证实了良好的生物相容性。细胞毒性实验和小鼠体内植入实验（长达两周）表明，机器人所用材料及整体器件未引起明显的炎症或组织损伤，支持其长期植入的潜在安全性。

结论与研究意义

本研究提出并验证了一种受生物“皮肤-肌肉”整合启发的通用设计策略，用于创建新一代多功能、无线、软体机器人植入体。该策略通过创新的原位溶液加工法制造多功能电子皮肤，与热响应水凝胶肌肉相结合，实现了传感、驱动和刺激在单一生物相容平台上的高度集成。

其科学价值在于：1) 为复杂功能在柔性生物集成系统中的异构融合提供了新的材料加工与集成方法；2) 深化了仿生软体机器人从运动模仿到“感知-驱动”协同智能仿真的研究层次；3) 展示了结构自适应、界面应力最小化在生物-非生物界面工程中的重要性。

其应用价值巨大且明确：所演示的膀胱控制、血管监测、胃部诊疗和心脏综合管理机器人原型，为解决泌尿系统疾病、心血管疾病、胃肠道疾病等领域的临床挑战提供了创新的技术思路。特别是能够与动态器官共形、无缝集成多模态感知与治疗功能的植入体，有望推动精准医疗和长期慢性病管理的发展，代表了未来电子医学植入物的重要发展方向。

研究亮点

1. 高度的集成创新性：“原位溶液加工法”是本研究的核心工艺创新，它突破了传统逐层转印或3D打印在集成多种异质纳米功能材料时的局限，实现了多模态电子皮肤的一体化、高性能制造。
2. 深刻的仿生学内涵：研究不止于形态模仿，而是深入借鉴了“皮肤感知引导肌肉运动”的生物系统工作原理，实现了“感知-驱动-反馈”的类生命闭环，赋予机器人“物理智能”。
3. 强大的应用示范体系：研究没有停留在单一器件展示，而是系统地构建了从基础单元（机器人手指/手臂）到完整系统（无线模块），再到面向不同器官（膀胱、血管、胃、心脏）的系列化应用原型，全面证明了其平台策略的通用性和变革潜力。
4. 前沿的体内验证：尤其在小鼠活体心脏上的实验，成功演示了在真实、动态的生理环境中，软体机器人同时完成微创部署、自适应附着、多参数生理传感和电刺激治疗的全流程，并将局部心肌功能的量化监测提升到了新的空间分辨率水平，是极具说服力的概念验证。

其他有价值的内容

研究还探讨了若干细节优化，如水凝胶厚度对驱动性能的影响、温度反馈闭环控制以增强安全性、无线线圈在形变下的性能变化规律等，这些都为实际应用中的工程化设计提供了重要参考。论文补充材料中详尽的材料表征（SEM, XPS, XRD, FTIR）、性能测试循环和数据，支撑了研究结论的可靠性。