近日，由施学伟、李亚木、胡宁等领衔的研究团队在*Chemical Engineering Journal*期刊（2025年，卷519，文章号164352）上发表了一项关于多层自感知水凝胶软体机器人的创新研究。该研究团队来自多所国内高校与研究机构，包括西华大学先进智能装备跨学科研究院、重庆大学航空航天学院、重庆医科大学基础医学院、河北工业大学机械工程学院、西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室、重庆科技学院计算机科学与工程学院以及河北工业大学的多个省部级重点实验室。这项研究提出了一种通过立体光刻技术制备的、用于按需给药的多层自感知水凝胶软体机器人，为解决生物医学领域中的靶向药物输送问题提供了新思路。

研究背景与目的

软体机器人因其卓越的形状适应能力和运动灵活性，在生物医学应用中备受关注，特别是在微创手术和靶向给药领域。其中，磁驱动软体机器人由于磁场对生物细胞和组织影响小，成为首选驱动方式。然而，开发兼具自感知能力、多层结构且具备专门功能的软体机器人仍然面临挑战，这主要受限于基底材料和先进的制造技术。

具体到胃溃疡治疗，传统口服药物难以有效渗透至胃黏膜病灶，导致疗效受限。磁驱动软体机器人有望通过直接递送药物贴片至溃疡部位来提升治疗效果。为了实现精准控制，机器人需要具备原位运动监控能力，以协同实现驱动与感知的闭环控制。水凝胶材料因其高弹性、柔软性、生物相容性和多功能性，成为集成驱动与传感设计的理想基底。近年来，基于水凝胶的3D打印技术，特别是立体光刻技术，为快速构建复杂三维结构提供了可能。本研究的核心目的，正是利用立体光刻技术，开发一种受蝎子启发的多层磁驱动软体机器人，该机器人集成了磁驱动、自感知和药物递送功能，旨在为胃溃疡等疾病的靶向治疗提供一个创新平台。

详细工作流程

本研究包含材料制备、机器人结构设计与制造、性能表征、仿真分析、生物相容性评估以及概念验证实验等多个环节，环环相扣。

1. 材料与墨水制备：研究首先开发了一种适用于立体光刻的可打印水凝胶墨水体系。其基质为聚丙烯酰胺/海藻酸钠复合水凝胶。具体制备过程如下：将丙烯酰胺单体溶解于去离子水中，加入不同质量分数（相对于AM单体为0%、5%、15%、25%）的海藻酸钠，加热搅拌溶解，形成PS前驱体溶液。随后，加入交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和聚乙二醇二丙烯酸酯、光引发剂1-羟基环己基苯基酮以及作为光敏剂的橙色颜料，制备出PS-0、PS-5、PS-15、PS-25四种基础墨水。为了赋予特定功能，向PS-25墨水中分别超声分散多壁碳纳米管和钕铁硼颗粒，制得用于传感层的MWCNT-PS导电墨水和用于驱动层的NdFeB-PS磁性墨水。所有材料的具体配比均有详细记录。

2. 软体机器人的设计与制造：受蝎子快速移动、尾部储毒和独特外壳形状的生物特性启发，研究团队设计了一种三层结构的软体机器人，包含传感层、载药层和驱动层。

   • 制造工艺：采用了模板浇铸与立体光刻3D打印相结合的混合制造策略。驱动层由于含有高密度、不溶于墨水的NdFeB颗粒，为防止其在打印过程中沉降导致分布不均，采用了模板浇铸法快速成型，以确保磁性颗粒均匀分布。载药层和传感层则采用自下而上的立体光刻技术，在已固化的驱动层上逐层打印。打印参数经过优化：载药层使用PS溶液，激光波长355纳米，曝光能量密度4.286 J/cm²，层厚100微米；传感层使用MWCNT-PS导电溶液，曝光能量密度6.257 J/cm²，层厚100微米。这种在相同水凝胶基质中依次掺入不同功能材料的顺序打印方法，确保了各层之间稳定的界面结合。
   • 结构创新：传感层的设计是本研究的一大亮点。受蝎子外骨骼形状启发，研究人员设计了独特的“岛-桥”应力集中结构。该设计旨在优化变形过程中的应变重新分布，将整体应变局部放大至“桥”区域，从而显著提升应变传感的灵敏度。载药层模拟蝎子尾巴，具有3D打印的镂空结构，用于装载治疗药物，同时作为绝缘层隔离下方的导电驱动层和上方的导电传感层，防止驱动层干扰传感信号。驱动层则负责模拟蝎子的运动能力。

3. 性能表征与实验：

   • 基础表征：使用旋转流变仪测量了前驱体溶液的粘度，确认其满足立体光刻打印的要求（低于10 Pa·s）。通过紫外-可见分光光度计测试了墨水在355纳米波长的吸光度，评估其光固化效率。利用扫描电子显微镜观察了冻干后水凝胶的微观形貌，发现海藻酸钠的加入使水凝胶从均匀多孔结构转变为有序的层状结构。傅里叶变换红外光谱分析证实了PAM与SA之间形成了分子间氢键，成功合成了半互穿网络水凝胶。
   • 力学性能测试：使用万能试验机对具有不同SA含量的PS水凝胶进行了单轴拉伸测试。测试样品尺寸为50 mm × 10 mm × 1 mm，拉伸速率为20 mm/min。记录了应力-应变曲线，并计算了断裂伸长率、断裂强度、弹性模量和断裂能。还对PS-25水凝胶进行了循环加卸载测试，以评估其机械稳定性和可逆性。
   • 传感性能测试：在拉伸测试的同时，使用数字源表同步测量水凝胶的电阻变化。通过计算应变系数来表征传感器的灵敏度。对比了具有传统平面结构和“岛-桥”结构的水凝胶传感器的性能。此外，还进行了阶梯循环应变测试和100次循环耐久性测试，以评估传感器的响应、恢复特性及稳定性。
   • 磁驱动特性测试：将打印完成的三层软体机器人约束成拱形，并使用脉冲磁场磁化器（3 T）进行磁化。机器人的运动通过在永磁体产生的梯度磁场下进行实验来验证，主要观察了爬行和翻滚两种运动模式。记录了机器人在不同磁场强度下的弯曲角度和移动速度。
   • 有限元仿真：使用ANSYS Workbench 2022软件对具有“岛-桥”结构的传感层进行了拉伸和弯曲变形的有限元模拟。采用Neo-Hookean超弹性材料模型，设置杨氏模量为77.8 kPa，泊松比为0.495。仿真结果直观展示了局部应变放大的效果。
   • 生物相容性实验：使用小鼠单核巨噬细胞RAW264.7与TSR水凝胶共培养，分别在24小时和72小时后，通过钙黄绿素-AM/PI活死细胞染色试剂盒染色，在倒置荧光显微镜下观察细胞存活情况，评估材料的生物安全性。
   • 概念验证实验：在一个人体胃部解剖模型中，演示了软体机器人的导航和药物递送能力。通过移动模型下方的永磁体产生移动磁场，驱动机器人在胃模型内壁爬行至模拟溃疡部位（紫色组织），然后通过控制磁场使机器人翻滚，从而实现药物的定点释放。

4. 数据分析流程：研究中的所有数据均以至少三次独立实验的平均值±标准差形式报告。使用Origin 2019b软件进行统计分析，提取数据的均值、标准差、中位数和最大值等特征。传感性能的数据分析主要关注电阻相对变化率与施加应变之间的线性关系（拟合优度R²）以及应变系数的计算。

主要研究结果

1. 材料优化与力学性能：海藻酸钠的加入显著提升了PS水凝胶的力学性能。当SA含量为25 wt%时，PS-25水凝胶表现出最优的综合性能：断裂伸长率达到371%，断裂强度为203.5 kPa，弹性模量为77.8 kPa，断裂能为421.1 kJ/m³，相比不含SA的PS-0水凝胶，分别提高了1.71倍、2.19倍、1.62倍和3.71倍。循环加卸载测试表明PS-25水凝胶具有良好的可逆性和机械稳定性。基于这些优异性能，PS-25被选为三层软体机器人的基质材料，最终的TSR水凝胶复合材料断裂伸长率为349%，断裂强度为263.5 kPa。

2. “岛-桥”结构对传感性能的增强：有限元仿真结果证实，“岛-桥”结构能有效实现应变局部集中。例如，当整体施加30%的拉伸应变时，“桥”区域的平均局部应变可放大至52%。实验测试结果与仿真一致：传统平面结构水凝胶传感器的应变系数为5.23（R² = 0.99），而“岛-桥”结构传感器的应变系数提升至7.06（R² = 0.98），灵敏度提高了约35%。电流-电压特性曲线显示，在不同应变下传感器均呈现欧姆行为。阶梯循环应变测试和100次循环测试证明了传感器出色的响应、恢复特性和稳定性，尽管在干燥环境中长期循环会因水分挥发导致基线漂移，但研究者建议可通过算法补偿进行校正。

3. 磁驱动与运动控制：软体机器人成功实现了爬行和翻滚两种运动模式。爬行运动利用了机器人头尾部分的摩擦差异，通过外部永磁体在水平和垂直方向的特定移动序列来实现推拉式前进。实验表明，机器人的弯曲角度和爬行速度随驱动磁场强度的增大而增加，在156 mT的磁场下，最大爬行速度可达约2.4 mm/s。电阻信号实时记录了机器人在爬行周期中的变形过程，验证了其自感知能力。

4. 生物相容性与概念验证：活死细胞染色实验显示，与TSR水凝胶共培养24小时和72小时后，RAW264.7细胞存活率很高，仅有极少量死细胞，证明了该材料具有良好的生物相容性。在人体胃部模型中的演示实验成功表明，该软体机器人能够在复杂的胃内环境中导航，并最终通过翻滚动作将装载的药物释放到指定的模拟溃疡区域，完整演示了“导航-定位-释放”的靶向给药流程。

研究结论与价值

本研究成功开发了一种利用立体光刻3D打印技术制造的磁驱动、自感知水凝胶软体机器人，用于胃溃疡的靶向药物递送。其核心创新在于通过精密的工程化设计，将多层结构与多功能性集成于一体。

科学价值：该工作为生物医学软体机器人领域建立了新的范式。它不仅提供了一种可打印的PS水凝胶墨水系统和混合制造策略，更重要的是引入了受生物启发的“岛-桥”结构设计，有效解决了软传感器灵敏度提升的问题。这种将刺激-传感-驱动反馈回路集成于一个仿生多层结构中的思路，推动了智能软体机器人的发展，为人工智能在医疗机器人中的应用创造了新机遇。

应用价值：研究展示的软体机器人具备在复杂生理环境中（如胃）进行精确导航、运输和可控释放药物的潜力。这为胃肠道疾病（尤其是局部病灶如溃疡）的靶向治疗提供了一种潜在的创新工具，有望提高药物治疗效果并减少全身副作用。虽然目前为概念验证阶段，但该技术框架可扩展至其他需要精准介入的医疗场景。

研究亮点

1. 仿生设计与结构创新：受蝎子形态和功能启发，设计了独特的三层功能结构（传感、载药、驱动），特别是传感层的“岛-桥”应力集中结构，通过局部应变放大显著提升了自感知灵敏度。
2. 先进的制造策略：创造性结合了模板浇铸（用于高含量颗粒均匀分布）和立体光刻3D打印（用于复杂结构精准构建）的混合制造方法，解决了磁性颗粒在打印过程中沉降分布不均的难题，实现了多功能材料在三维空间中的一体化成型。
3. 材料与性能的协同优化：通过调控海藻酸钠含量，优化了水凝胶基底的力学性能（高拉伸、高强度），并成功将碳纳米管（传感）、钕铁硼（驱动）等功能材料集成到统一的水凝胶网络中，获得了兼具良好机械性能、高传感灵敏度、有效磁驱动和生物相容性的复合材料体系。
4. 闭环能力展示：该软体机器人不仅能够执行磁驱动的爬行和翻滚运动，还能通过电阻变化实时感知自身变形状态，初步具备了“感知-驱动”协同工作的潜力，为未来实现完全闭环的自主控制奠定了基础。
5. 完整的验证链条：研究从材料合成、性能表征、仿真模拟、生物安全性评估到最终的胃模型概念验证，构成了一个完整且严谨的技术开发与验证链条，有力支撑了其结论的可靠性。

这项研究在材料、制造、设计和应用层面均体现了高度的创新性，为下一代用于靶向治疗的多功能软体机器人研发提供了重要的理论依据和技术储备。