这是一项关于受皮肤启发的用于电子植入物的感官机器人的原创研究。
主要作者与机构
该研究的主要作者包括Lin Zhang、Sicheng Xing、Haifeng Yin等人，通讯作者为Wubin Bai，其附属机构为北卡罗来纳大学教堂山分校应用物理科学系。其他作者分别来自北卡罗来纳大学教堂山分校生物医学工程系、McAllister心脏研究所核心实验室、北卡罗来纳州立大学联合生物医学工程系以及普渡大学Weldon生物医学工程学院等。该研究于2024年5月15日被接收，并发表于期刊 *Nature Communications*，文章编号为15:4777，DOI为10.1038/s41467-024-48903-z。
研究背景
本研究属于软体机器人、生物电子植入物和智能材料交叉的科学领域。传统植入式电子器件通常刚性、不可变形，难以与动态的生物组织形成长期稳定的无应力界面。而现有软体机器人系统在驱动器（actuator）、传感器（sensor）和控制器（controller）之间往往缺乏无缝集成，且难以同时保持物理柔软性和生物相容性。受脊椎动物骨骼肌与感觉皮肤紧密整合的启发，研究者希望开发一种能够模仿生物体运动-感知一体化架构的软体机器人平台，用于解决植入式器件在动态生理环境中的力学失配、异物反应和功能单一等问题。
该研究的核心目标是提出一种将多功能传感与按需驱动集成在单一生物相容平台上的设计策略，并展示其在多种体内应用场景中的可行性，包括血管监测、膀胱功能调控、消化道内长期驻留以及心脏表面感知与电刺激等。
研究流程与实验方法
该研究的工作流程可大致分为四个主要部分：材料制备与器件制造、驱动与传感性能表征、无线控制与供电验证、体外模型及体内动物实验验证。
材料制备与器件制造。 研究团队采用了一种原位溶液法（in situ solution-based method）来制造电子皮肤（e-skin）层。该方法将多种功能性纳米材料——如银纳米线（silver nanowires, AgNWs）、还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide, rGO）、MXene和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）——嵌入到聚酰亚胺（polyimide, PI）或聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）等聚合物基质中。与传统的“制作后转移”方法相比，原位溶液法能够在单一步骤内完成传感器在聚合物基质中的集成，从而减少界面电阻、提高机械顺应性和灵敏度。人工肌肉层则由聚(N-异丙基丙烯酰胺)（poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAM）水凝胶构成，该材料在温度超过其低临界溶解温度（lower critical solution temperature, LCST，约32–34°C）时会发生约90%的体积收缩。通过在PNIPAM中掺入丙烯酰胺（acrylamide, AAm）形成P(NIPAM-AAm)共聚物，可以调节LCST以适应不同的应用温度需求。电子皮肤层与水凝胶层之间使用氰基丙烯酸正丁酯（n-butyl cyanoacrylate）生物粘合剂进行键合，形成双层或多层结构。研究者制造了多种仿生结构，包括海星状软体抓手、手性种荚启发的扭转结构、可自展开为三维环形的软体药丸等。
驱动与传感性能表征。 研究团队首先对AgNW/PI纳米复合加热器进行了电热性能测试。红外热成像显示，该加热器在经过1000次弯折和扭转循环后仍能保持均匀的温度分布。输入功率低于约1瓦即可使水凝胶达到LCST。通过改变输入功率，可以精确控制软体机器人臂的弯曲角度。在40°C时，厚度约1毫米的PNIPAM水凝胶层可产生最大32毫牛顿的静态力，且在40次开关循环中力输出保持一致。对于rGO/PI温度传感器，其电阻温度系数（temperature coefficient of resistance, TCR）大于0.5%/°C，且在1000次弯折循环和磷酸盐缓冲液（phosphate-buffered saline, PBS）浸泡后性能稳定。此外，MXene基温度传感器也展示了与商用热敏电阻（ERT-J0ET102H）高度一致的测量精度。通过将多个加热器和传感器分布在电子皮肤的不同区域，研究者实现了对软体机器人局部区域的独立热驱动和温度感知，例如三臂软体抓手每一臂可独立控制弯曲。
无线控制与供电验证。 为了实现无束缚操作，研究团队设计了一种基于电感-电容（inductor-capacitor, LC）谐振电路的无线传感系统。压力传感器由聚丙烯酰胺（polyacrylamide, PAAm）水凝胶介电层和两个电极构成电容，与平面电感线圈组成LC电路。外部压力变化引起电容改变，进而使谐振频率发生偏移，可由矢量网络分析仪（vector network analyzer, VNA）通过外部读取探头检测。在0–4 kPa的临床相关压力范围内，该传感器的电容相对变化与压力呈线性关系，灵敏度约为3%/kPa，谐振频率灵敏度约为26.7 kHz/kPa。无线驱动则通过射频（radiofrequency, RF）能量收集实现。铜线圈作为接收线圈与发射线圈磁耦合，产生电流驱动电加热器。该无线供电系统在15 MHz时达到最大输出功率约1.05瓦，效率约80%。实验还证明，在弯曲、扭转和扭曲等形变状态下，接收线圈的谐振频率保持稳定，传输功率仍足以驱动软体机器人运动。
体外模型及体内动物实验验证。 在膀胱功能调控方面，研究者制造了一种软体机器人抓手，将三维屈曲应变传感器和电刺激器集成于其上。该抓手在热驱动下包裹住气球模型以模拟膀胱。通过注射泵注水和抽水模拟膀胱充盈和排空，应变传感器电阻变化与膀胱体积呈强线性相关。闭环控制系统中，当模拟膀胱体积达到阈值100毫升时，蓝牙低功耗系统芯片（Bluetooth Low Energy System-on-Chip, BLE SoC）触发脉冲宽度调制（pulse-width modulation, PWM）电刺激。在血管监测方面，软体机器人袖带在热驱动下形成螺旋结构包裹人工动脉。应变传感器测得的电阻变化与内部流体压力呈线性关系，并能连续捕捉模拟脉搏波形。在消化道应用方面，一种软体可吞服机器人可在进入胃部后自展开为三维环形结构以防止通过幽门，同时通过PEDOT:PSS/聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol), PVA）pH传感器进行胃内酸碱度监测，并通过聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA）载药贴片实现温度触发的药物释放。在心脏应用方面，研究者制造了一种四臂海星状软体机器人治疗抓手，其包含四个蛇形Au/PI应变传感器、两个Au电刺激电极和两个温度传感器。在活体小鼠心脏模型上，该治疗抓手能够轻柔包覆心脏表面。体外细胞实验显示，小鼠3T3-J-2细胞在与完整软体机器人共培养48小时后仍保持健康活力。体内组织学分析也未见明显炎症或不良反应。心肌梗死（myocardial infarction, MI）小鼠模型显示，治疗抓手上的应变传感器可以实时、空间分辨地监测心房和心室的心肌收缩力变化。左心室流出道梗阻导致右心室（s2传感器）和左心室（s4传感器）所经历的应变量减少。此外，电刺激电极能够以500 mV至2 V、1毫秒脉宽、2.65 Hz的频率向心脏组织传递电脉冲。
主要结论与研究价值
该研究提出并验证了一种将电子皮肤与人工肌肉集成于单一平台的软体机器人设计策略。该策略的核心创新在于利用原位溶液法将多种纳米功能材料嵌入聚合物基质，形成多模态传感电子皮肤，并与PNIPAM水凝胶人工肌肉相结合，实现弯曲、扭转和展开等多种运动模式。研究展示了该平台在无线无电池操作条件下的可行性，并通过体外模型和体内动物实验证明了其在血管压力监测、膀胱功能调控、胃内pH监测与药物递送以及心脏表面多功能感知与电刺激等方面的应用潜力。
从科学价值来看，该研究建立了一种通用的材料集成和器件制造方法，能够将不同类别的传感材料和响应材料组合为一体化软体机器人系统，为生物电子植入物提供了一种新的设计范式。从应用价值来看，所展示的软体机器人抓手、袖带、可吞服机器人和心脏治疗抓手等原型器件，展示了在微创手术、精准诊断、药物递送和电疗法等临床场景中的转化前景。
研究亮点
本研究的亮点主要体现在三个方面。第一，材料集成方法的创新性：原位溶液法避免了传统方法中纳米材料在聚合物中分散不均匀的问题，同时减小了界面电阻，提高了传感器灵敏度和机械顺应性。第二，无线无电池操作与闭环控制的整合：通过LC谐振传感和射频能量收集，实现了植入式软体机器人的远程驱动和信号读取，并通过BLE SoC实现了基于传感反馈的闭环电刺激控制。第三，多功能体内演示：研究不仅停留在器件表征层面，还在人工膀胱、人工血管、胃模型以及活体小鼠心脏模型上验证了器件的实际功能，覆盖了从泌尿、血管、消化道到心脏的多种器官系统，体现了该平台在不同生理环境中的适应能力与应用广度。