多自由度梯度磁場(chǎng)控制系統相關(guān)應用文獻（2017-2022）

昊量光電新引入瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機器人與智能系統研究所研發(fā)的多自由度梯度磁場(chǎng)控制系統MFG系列。這些MFG多自由度梯度磁場(chǎng)控制系統能夠產(chǎn)生各種各樣的靜態(tài)或時(shí)變磁場(chǎng)，用于研究磁場(chǎng)依賴(lài)現象，它們也用于開(kāi)發(fā)磁性微納米機器人以及其他微操作程序的應用。多自由度梯度磁場(chǎng)控制系統MFG系列產(chǎn)生場(chǎng)和場(chǎng)梯度，為5個(gè)自由度提供力和扭矩，非接觸式驅動(dòng)，用于顆粒定向和定位，粘滑或滾動(dòng)運動(dòng)，以及鞭毛游動(dòng)。應用包括工程和流體動(dòng)力學(xué)研究，局部流變學(xué)測量，微觀(guān)力學(xué)生物學(xué)刺激和表征。

以下2017到2022年之間描述、使用或引用這款MiniMag / nanomag / OCTomag系統的相關(guān)文章列表:

1. Hongri Gu, Emre Hanedan, Quentin Boehler, Tian-Yun Huang, Arnold J.T.M. Mathijssen and Bradley Nelson. Artificial Microtubules for Rapid and Collective Transport of Magnetic Microcargoes. Nat. Mach. Intell. 4, 678-684 (2022).

摘要:微貨物的定向運輸對于生物體以及微機器人、納米技術(shù)和生物醫學(xué)的應用至關(guān)重要?，F有的遞送技術(shù)往往存在速度低、導航控制有限和心血管血流分散的問(wèn)題。在細胞生物學(xué)中，這些問(wèn)題在很大程度上由細胞骨架馬達克服，這些馬達沿著(zhù)微管高速公路攜帶囊泡。受此啟發(fā)，我們開(kāi)發(fā)了一種人工微管(AMT)，這是一種結構的微纖維，嵌入微磁鐵，引導顆?？焖偻ㄟ^(guò)流動(dòng)網(wǎng)絡(luò )。與現有技術(shù)相比，在相同的驅動(dòng)頻率下，微貨物的移動(dòng)速度要快一個(gè)數量級，并且通過(guò)強大的動(dòng)態(tài)錨定效應減輕了分散。即使在強大的流體流動(dòng)中，巨大的局部磁場(chǎng)梯度也可以實(shí)現錨定和引導推進(jìn)。zui后，我們證明了AMT可以促進(jìn)微粒自組裝成活性物質(zhì)團簇，然后通過(guò)集體橋接墊腳石來(lái)提高它們的行走速度。因此，我們展示了一種策略，用于微血管網(wǎng)絡(luò )內的穩健遞送和微創(chuàng )干預，其非平衡效應可能與增強生物運輸過(guò)程同樣相關(guān)。

2. T. Gwisai, N. Mirkhani, M.G. Christiansen, T.T. Nguyen, V. Ling and S. Schuerle. Magnetic torque-driven living microrobots for increased tumor infiltration. Sci. Robot. 7, eabo0665 (2022).

摘要：結合自推進(jìn)和磁引導的細菌微型機器人越來(lái)越被認為是有前途的靶向癌癥治療藥物遞送載體。到目前為止，控制策略要么依賴(lài)于難以擴展的磁場(chǎng)梯度，要么使用受細菌馬達限制的推進(jìn)力的定向磁場(chǎng)。在這里，我們提出了一種基于旋轉磁場(chǎng)的磁轉矩驅動(dòng)驅動(dòng)方案，以無(wú)線(xiàn)控制磁螺旋藻AMB-1承載多功能脂質(zhì)體貨物。我們觀(guān)察到通過(guò)血管內皮模型的共軛易位增加了4倍，并發(fā)現驅動(dòng)這種增加的運輸的主要機制是在細胞界面上的扭矩驅動(dòng)的表面探索。使用球體作為三維腫瘤模型，熒光標記的細菌在暴露于旋轉磁場(chǎng)的樣品中以高達21倍的高信號定植其核心區域。除了增強傳輸外，我們還證明了這種磁刺激同時(shí)驅動(dòng)和感應檢測AMB-1的適用性。zui后，我們證明了RMF在小鼠全身靜脈給藥后顯著(zhù)增強體內AMB-1腫瘤積累。我們的研究結果表明，可擴展的磁轉矩驅動(dòng)控制策略可以很好地利用生物混合微型機器人。磁轉矩驅動(dòng)的運動(dòng)增強了活體微型機器人在體外和體內跨越生理屏障的滲透。

3. H. Chen, Y. Li, Y. Wang, P. Ning, Y. Shen, X. Wei, Q. Feng, Y. Liu, Z. Li, C. Xu, S. Huang, C. Deng, P. Wang, and Y. Cheng. An Engineered Bacteria-Hybrid Microrobot with the Magnetothermal Bioswitch for Remotely Collective Perception and Imaging-Guided Cancer Treatment. ACS Nano 16, 6118?6133 (2022).

摘要：由多種推進(jìn)力驅動(dòng)的微型機器人在生理環(huán)境中具有巨大的無(wú)創(chuàng )靶向遞送潛力。然而，在低雷諾數生物環(huán)境下的遠程集體感知和精確推進(jìn)仍然是微型機器人在體內實(shí)現預期治療效果的主要挑戰。在這里，我們報道了一種生物混合微型機器人，它集成了磁、熱、缺氧敏感性和內部熒光蛋白，作為靶向癌癥治療的熱和定位信號的雙重報告者。微機器人系統中有三個(gè)關(guān)鍵元素，包括負載磁性納米粒子(MNP)的益生菌大腸桿菌Nissle1917 (EcN@MNP)，用于空間磁性和缺氧感知，設計到細菌中的熱邏輯電路，用于控制mCherry的生物合成，作為溫度和定位報告器，以及編碼在EcN中的NDH-2酶，用于增強抗癌治療。根據基于熒光蛋白的成像反饋，該微型機器人在磁場(chǎng)作用下對腫瘤區域表現出良好的熱敏性和主動(dòng)靶向能力。結合磁熱消融和NDH-2誘導的活性氧(ROS)損傷，在體外和體內有效地觸發(fā)了癌細胞的凋亡。我們的研究表明，生物混合EcN微型機器人是一個(gè)理想的平臺，將物理、生物和化學(xué)特性整合在一起，用于集體感知和推進(jìn)靶向癌癥治療。

4. Jiaen Wu, David Folio, Jiawei Zhu, Bumjin Jang, Xiangzhong Chen, Junxiao Feng, Pietro Gambardella, Jordi Sort, Josep Puigmarti-Luis, Olgac Ergeneman, Antoine Ferreira and Salvador Pané. Motion Analysis and Real-Time Trajectory Prediction of Magnetically Steerable Catalytic Janus Micromotors. Advanced Intelligent Systems 4: no. 11, pp. 2200192 (2022)

摘要：化學(xué)驅動(dòng)的微電機顯示不可預測的軌跡，由于旋轉布朗運動(dòng)與周?chē)牧黧w分子相互作用。這阻礙了這些微型機器人的實(shí)際應用，特別是在需要精確控制的地方。為了克服旋轉布朗運動(dòng)，增加運動(dòng)的方向性，機器人通常用磁性成分裝飾，并由外部磁場(chǎng)引導。然而，盡管方法簡(jiǎn)單，但對其運動(dòng)的明確分析和建模仍然有限。在這里，催化Janus微電機制造與不同的磁化和磁性轉向控制自推進(jìn)運動(dòng)顯示。為了分析微電機的動(dòng)態(tài)行為，從理論上建立了一種狀態(tài)相關(guān)系數與魯棒兩級卡爾曼濾波器相結合的動(dòng)態(tài)模型，該模型可以成功地實(shí)時(shí)預測微電機在均勻粘性流動(dòng)中的運動(dòng)軌跡。在大范圍的模型參數變化范圍內，理論預測的動(dòng)力學(xué)和實(shí)驗觀(guān)測結果之間有很好的一致性。所建立的模型可以普遍適用于不同尺寸、幾何形狀和材料的各種催化微納米發(fā)動(dòng)機設計，甚至適用于不同的燃料溶液。zui后，該模型可作為生物傳感、檢測燃料濃度或確定未知環(huán)境下小型電機推進(jìn)機制的平臺。

5. Victor de la Asuncion-Nadal, Andrea Veciana, Shen Ning, Anastasia Terzopoulou, Semih Sevim, Xiang-Zhong Chen, De Gong, Jun Cai, Pedro Wendel-Garcia, Beatriz Jurado-Sanchez, Alberto Escarpa, Josep Puigmarti-Luis and Salvador Pané. MoSBOTs: Magnetically Driven Biotemplated MoS2-Based Microrobots for Biomedical Applications Small 18(33), pp. 2203821 (2022).

摘要：二維層狀二硫化鉬(MoS2)納米材料具有很高的生物相容性、機械和電氣性能以及靈活的功能化特性，是生物醫學(xué)應用的一個(gè)很有前景的平臺。此外，MoS2的帶隙可以被設計成吸收寬波長(cháng)范圍內的光，然后將其轉化為局部熱，用于光熱組織消融和再生。然而，諸如水分散體穩定性差和在受影響組織中的低蓄積等限制阻礙了MoS2在生物醫學(xué)應用中的充分實(shí)現。為了克服這些挑戰，本文提出了以藍藻螺旋藻為生物模板的多功能MoS2磁性螺旋微型機器人(MoSBOTs)，用于治療和生物識別應用。細胞相容性微型機器人結合了近紅外輻射下的遠端磁導航和二硫化鉬光熱活性。由此產(chǎn)生的MoSBOTs的光吸收特性被用于靶向光熱消融癌細胞和在微創(chuàng )腫瘤治療應用中的動(dòng)態(tài)生物識別。擬議的多治療MoSBOT在無(wú)數癌癥治療和診斷相關(guān)應用中具有相當大的潛力，規避了當前消融手術(shù)的挑戰。

6. Huaijuan Zhou, Carmen C. Mayorga-Martinez, Salvador Pané, Li Zhang, and Martin Pumera. Magnetically Driven Micro and Nanorobots. Chem. Rev. 121 (8), 4999–5041 (2021).

摘要：在不同的流體環(huán)境中，微和納米游泳者的操縱和導航可以通過(guò)化學(xué)物質(zhì)、外場(chǎng)甚至運動(dòng)細胞來(lái)實(shí)現?；诖艌?chǎng)驅動(dòng)策略具有遠程和時(shí)空控制、無(wú)燃料、高度可重構性、可編程性、可回收性和通用性等優(yōu)點(diǎn)，許多研究者選擇磁場(chǎng)作為主動(dòng)外部驅動(dòng)源。這篇綜述介紹了磁性微/納米機器人的基本概念和優(yōu)點(diǎn)，以及磁場(chǎng)和磁性材料的基本知識，磁場(chǎng)操作的設置，磁場(chǎng)結構，以及有效運動(dòng)的對稱(chēng)破壞策略。討論了這些概念來(lái)描述微/納米機器人與磁場(chǎng)之間的相互作用。本文介紹了鞭毛磁機器人的驅動(dòng)機制(如螺旋狀運動(dòng)和行波運動(dòng)/纖毛運動(dòng))和表面行走器(如表面輔助運動(dòng))，磁場(chǎng)在其他推進(jìn)方法中的應用，以及微/納米機器人在運動(dòng)之外的磁刺激，以及(準)球形、螺旋形、柔性、線(xiàn)狀和生物混合磁機器人的制造技術(shù)。MagRobots在靶向藥物/基因遞送、細胞操作、微創(chuàng )手術(shù)、活檢、生物膜破壞/gen 除、成像引導遞送/治療/手術(shù)、環(huán)境修復污染去除和(生物)傳感等方面的應用也進(jìn)行了綜述。zui后，討論了磁動(dòng)力小型化電機目前面臨的挑戰和未來(lái)的發(fā)展前景。

7. Pierre E. Dupont, Bradley J. Nelson, Michael Goldfarb, Blake Hannaford, Arianna Menciassi, Marcia K. OMalley, Nabil Simaan, Pietro Valdastri, and Guang-Zhong Yang. A decade retrospective of medical robotics research from 2010 to 2020. Sci. Robot. 6 (60), eabi8017 (2021).

摘要：機器人是一門(mén)前瞻性的學(xué)科。人們的注意力集中在確定下一個(gè)重大挑戰上。然而，在醫療機器人等應用領(lǐng)域，重要的是要在清楚了解研究界zui近取得的成就以及這項工作在臨床需求和商業(yè)化方面的地位的基礎上規劃未來(lái)。這篇綜述文章確定并分析了過(guò)去十年中醫療機器人的八個(gè)關(guān)鍵研究主題。這些主題領(lǐng)域是使用確定十年中被引用次數zui多的論文的搜索標準確定的。我們這篇評論文章的目標是為讀者提供一種方便的方式來(lái)快速欣賞過(guò)去十年中醫療機器人領(lǐng)域一些zui令人興奮的成就;因此，我們只關(guān)注每個(gè)專(zhuān)題領(lǐng)域的少數開(kāi)創(chuàng )性論文。我們希望本文能夠培養研究者的創(chuàng )業(yè)精神，以縮小研究與翻譯之間日益擴大的差距。

8. L. O. Mair, G.s Adam, S. Chowdhury, A. Davis, D. R. Arifin, F. M. Vassoler, H. H. Engelhard, J. Li, X. Tang, I. N. Weinberg, B. A. Evans, J. W.M. Bulte and D. J. Cappelleri. Soft Capsule Magnetic Millirobots for Region-Specific Drug Delivery in the Central Nervous System. Front. Robot. AI 8:702566. doi: 10.3389/frobt.2021.702566 (2021).

摘要：小型軟機器人系統正在探索醫學(xué)上的無(wú)數應用。具體來(lái)說(shuō)，能夠遠程操作的磁驅動(dòng)微型機器人在治療藥物和生物制劑的靶向遞送方面具有巨大的潛力。以前在微型機器人上的許多努力都致力于在水環(huán)境和堅硬表面上的運動(dòng)。然而，我們的人體是由致密的生物組織構成的，這就要求研究人員開(kāi)發(fā)出能夠在組織表面上移動(dòng)的新型微型機器人。翻滾微型機器人是這些設備的一個(gè)子類(lèi)，能夠在旋轉磁場(chǎng)引導下在表面上行走。利用微型機器人將有效載荷運送到敏感組織的特定區域是醫療微型機器人的主要目標。中樞神經(jīng)系統(CNS)組織由于其精致的結構和高度區域特異性的功能是一個(gè)主要的候選者。在這里，我們展示了軟體海藻酸鹽膠囊的表面行走能力，能夠在離體大鼠皮層和小鼠脊髓上移動(dòng)，展示了多位置小分子遞送到每種組織上多達六個(gè)不同的位置，具有高空間特異性。海藻酸鹽凝膠的柔軟性可以防止微機器人在運動(dòng)過(guò)程中與中樞神經(jīng)系統組織摩擦造成的損傷。該技術(shù)的發(fā)展可用于臨床和臨床前應用，如藥物輸送、神經(jīng)刺激和診斷成像。

9. Daphne O. Asgeirsson, Michael G. Christiansen, Thomas Valentin, Luca Somm, Nima Mirkhani, Amin Hosseini Nami, Vahid Hosseini and Simone Schuerle. 3D magnetically controlLED spatiotemporal probing and actuation of collagen networks from a single cell perspective. Lab on a Chip, 21(20) 3850-3862 (2021)

摘要：細胞不斷地感知和反應來(lái)自周?chē)|(zhì)的機械信號，這些基質(zhì)由生物聚合物的纖維網(wǎng)絡(luò )組成，影響著(zhù)細胞的命運和行為。利用磁控制的幾種有效方法已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，以評估細胞外基質(zhì)(ECM)模型內的微力學(xué)特性。然而，其中許多僅限于平面內傳感和驅動(dòng)，這不允許在其完整的3D環(huán)境中探測矩陣。此外，很少有人注意到模型ECM系統的因素，這些因素可以深刻地影響其中包含的細胞。在這里，我們提出了利用磁微探針(μ rod)在與細胞相關(guān)的尺度上對細胞外基質(zhì)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行時(shí)空探測和操作的方法。我們的技術(shù)利用3D磁場(chǎng)生成，物理建模和圖像分析來(lái)檢查和應用纖維膠原蛋白基質(zhì)的機械刺激。我們確定了剪切模量范圍在數百Pa到數十kPa之間，并模擬了接近剛性表面和局部纖維致密化的影響。我們分析了響應10 pNm量級的磁扭矩所產(chǎn)生的矩陣變形的空間范圍和動(dòng)力學(xué)，在跨越數十微米的區域內偏轉纖維。zui后，我們演示了熒光標記μ桿的三維驅動(dòng)和姿態(tài)提取。

10. D. Ahmed, A. Sukho, D. Hauri, D. Rodrigue, G. Maranta, J. Harting and B. J. Nelson. Bioinspired acousto-magnetic microswarm robots with upstream motility. Nature Machine Intelligence 3, 116–124, 2021.   

摘要：抗血流推進(jìn)的能力，即執行正流變性，可以為靶向治療和非侵入性手術(shù)的應用提供令人興奮的機會(huì )。到目前為止，還沒(méi)有生物相容的技術(shù)來(lái)引導微粒在背景流體中逆流而上。受到許多自然發(fā)生的微游泳者的啟發(fā)，如細菌、精子和浮游生物，它們利用壁面的防滑邊界條件來(lái)展示上游推進(jìn)力，在這里，我們報告了自組裝微群的設計和特征，這些微群可以在外部聲場(chǎng)和磁場(chǎng)的組合下執行上游運動(dòng)。聲波和磁場(chǎng)對人體都是安全的，非侵入性的，可以深入人體，在臨床環(huán)境中得到了很好的發(fā)展。這兩個(gè)領(lǐng)域的結合可以克服單一驅動(dòng)方法所遇到的局限性。討論了微群進(jìn)行滾動(dòng)運動(dòng)所需的聲致反作用力的設計準則。我們展示了實(shí)驗數據與我們的模型之間的定量一致，該模型捕獲了滾動(dòng)行為。上游能力提供了一種將小藥物分子輸送到難以到達的部位的設計策略，代表了實(shí)現微納米系統導航對抗血流的基本步驟。 

11. C. C. J. Alcantara, F. C., Landers, S. Kim, C. de Marco, D. Ahmed, B. J., Nelson, S. Pane. Mechanically interlocked 3D multi-material micromachines. Nat. Commun. 11:5957 [http s: //doi.ord/10.1038/s41467-020-19725-6] (2020).

摘要：金屬和聚合物在物理化學(xué)性質(zhì)上是不同的材料，但在功能上是互補的。因此，金屬有機結構可以在小型機器人中引入豐富的新應用。然而，目前的制造技術(shù)無(wú)法加工三維金屬和聚合物部件。在這里，我們展示了通過(guò)結合3D光刻、模具鑄造和電沉積，混合微觀(guān)結構可以互鎖。我們的方法可用于實(shí)現具有的分辨率和拓撲復雜性的復雜多材料微器件。我們證明了金屬成分可以與由不同種類(lèi)的聚合物制成的結構相結合。金屬和聚合物的特性可以并行利用，從而產(chǎn)生具有高磁響應性、高藥物負載能力、按需形狀轉換和彈性行為的結構。我們通過(guò)展示新的微型機器人運動(dòng)模式和控制的群體聚集來(lái)展示我們的方法的優(yōu)勢。

12. N Mirkhani, M Christiansen and S. Schuerle. Living, self-replicating ferrofluids for fluidic transport. Adv. Funct. Mater. 2020, 2003912.

摘要：磁驅動(dòng)為微流體泵送和靶向藥物輸送等應用提供了一種無(wú)線(xiàn)控制鐵磁流體流動(dòng)的方法。盡管這些概念很有前景，但實(shí)際使用合成鐵磁流體作為流動(dòng)致動(dòng)器通常需要高濃度，并且受到低鐵磁流體動(dòng)力耦合效率和不均勻流場(chǎng)的阻礙。受趨磁細菌(MTB)表現出的磁性和流體動(dòng)力學(xué)形式的啟發(fā)，這項工作研究了將這些微生物作為一種活的、自我復制的鐵磁流體，通過(guò)磁力強制旋轉來(lái)改善流體運輸。以多核氧化鐵納米顆粒作為性能基準，在旋轉磁場(chǎng)下的MTB顯示出更均勻和高效的流動(dòng)。無(wú)論是磁性材料的體積還是總的體積分數的比較，都增強了耦合性。為了闡明在輸運中與邊界的相互作用的機制作用，開(kāi)發(fā)了一個(gè)計算模型并進(jìn)行了實(shí)驗驗證。應用該模型，預測了兩種不同且可行的磁控制策略:一個(gè)旋轉梯度場(chǎng)，盡管邊界促進(jìn)相反方向的流動(dòng)，但仍產(chǎn)生定向流動(dòng);一個(gè)靜磁門(mén)控場(chǎng)，實(shí)現空間選擇性驅動(dòng)。為MTB確定的優(yōu)勢屬性為實(shí)現這些策略打開(kāi)了設計空間。

13. M. K. Hausmann, A. Hauser, G. Siqueira, R. Libanori, S. L. Vehusheia, S. Schuerle, T. Zimmermann and A. R. Studart. Cellulose-Based Microparticles for Magnetically Controlled Optical modulation and Sensing. Small 16, 1904251 (2020).

摘要：具有雙折射光學(xué)特性的響應材料已經(jīng)在一些現代電子設備中被用于光的操縱。雖然電場(chǎng)通常用于實(shí)現光調制，但磁刺激可能為遠程控制和操縱光提供誘人的補充方法。本文報道了具有不同尋常磁光性質(zhì)的磁響應雙折射微粒的合成和表征。這些功能微顆粒是通過(guò)微流控乳化工藝制備的，其中水基液滴在流動(dòng)聚焦裝置中產(chǎn)生并拉伸成各向異性形狀，然后通過(guò)光聚合轉化為顆粒。雙折射特性是通過(guò)在液滴拉伸過(guò)程中將纖維素納米晶體排列在微顆粒內來(lái)實(shí)現的，而磁性響應性是通過(guò)在初始液滴模板中添加超順磁性納米顆粒來(lái)實(shí)現的。當懸浮在流體中時(shí)，微粒子可以通過(guò)外部磁場(chǎng)進(jìn)行可控操縱，從而產(chǎn)生的磁光耦合效應。使用一個(gè)遠程驅動(dòng)的磁場(chǎng)耦合到偏振光學(xué)顯微鏡，這些微?？梢杂脕?lái)將磁信號轉換成光信號，或者通過(guò)磁驅動(dòng)的微流變學(xué)來(lái)估計懸浮流體的粘度。

14. M. Xie, W. Zhang, C. fan, C. Wu, Q. Feng, J. Wu, Y. Li, R. Gao, Z. Li, Q. Wang, Y. Cheng and B.He. Bioinspired Soft Microrobots with Precise Magneto-Collective Control for Microvascular Thrombolysis. Adv. Mater. 32, 2000366 (2020).

摘要：用于生物醫學(xué)應用的新時(shí)代軟體微型機器人需要模仿自然界生物的基本結構和集體功能。生物相容性界面、智能功能和精確的運動(dòng)控制是設計復雜生物環(huán)境下軟體微型機器人的關(guān)鍵參數。在這項工作中，受趨磁細菌(MTB)的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種具有快速運動(dòng)響應和精確定位的仿生磁性微機器人(BMM)，用于靶向溶栓。與MTB中的磁小體結構類(lèi)似，BMM由嵌入在非膨脹微凝膠殼中的排列的氧化鐵納米顆粒(MNP)鏈組成。在靜態(tài)磁場(chǎng)作用下，MNPs的粒子間偶極相互作用形成了線(xiàn)性鏈。仿真結果表明，裝配的程度和速度與場(chǎng)強成正比。BMM在旋轉磁場(chǎng)下實(shí)現了161.7µm s?1的zui大轉速和小于4%的精確定位控制。重要的是，對BMMs的運動(dòng)分析表明，在8Hz頻率下，BMMs的同步與頻率相關(guān)，而在更高頻率下，由于阻力扭矩的增加，BMMs的異步化。BMM可以通過(guò)磁集體控制傳遞和釋放溶栓藥物，有望用于超微創(chuàng )溶栓。

15. Roberto Bernasconi, Elena Carrara, Marcus Hoop, Fajer Mushtaq, Xiangzhong Chen, Bradley J. Nelson, Salvador Pané, Caterina Credi, Marinella Levi, Luca Magagnin. Magnetically navigable 3D printed multifunctional microdevices for environmental applications. Additive Manufacturing 28, 127–135 (2019)

摘要：結合立體光刻3D打印和濕金屬化技術(shù)，制作了用于水清洗的微型機器人原型。使用化學(xué)和電解沉積在3D打印部件上沉積不同的金屬層，以賦予所需的功能。特別是，利用電解共沉積的靈活性和多功能性，污染物光降解和細菌殺滅第1 次結合在同一設備上，通過(guò)在銀基質(zhì)中涂覆含有二氧化鈦納米粒子的復合納米涂層。由此獲得的微型機器人的微觀(guān)結構得到了充分的表征，并通過(guò)施加旋轉磁場(chǎng)成功地驅動(dòng)了它們。從水凈化的角度來(lái)看，該裝置對水污染物具有明顯的光催化活性，對革蘭氏陰性菌具有抗菌活性。

16. J. Xie, C. Bi, D. J. Cappelleri and N. Chakraborty. Towards Dynamic Simulation Guided Optimal Design Of Tumbling MicrorobotS. Proc.ASME 2019 Intl. Des. Engin. Techn. Conf. and Comp and Inform. Engin. Conf. IDETC/CIE2019 (2019).

摘要：小型機器人的設計是一個(gè)基于試錯的過(guò)程，既昂貴又耗時(shí)。目前還沒(méi)有很好的動(dòng)態(tài)仿真工具來(lái)預測微型機器人在基底上移動(dòng)時(shí)的運動(dòng)或性能。在較小的長(cháng)度尺度上，粘附和摩擦的影響(隨表面積的變化)變得更加明顯。因此，假設兩個(gè)物體之間的接觸可以被建模為點(diǎn)接觸的剛體動(dòng)力學(xué)模擬器是不合適的。在本文中，我們提出了模擬微型機器人運動(dòng)的技術(shù)，其中機器人與襯底之間可能存在間歇性和非點(diǎn)接觸。我們使用這個(gè)模擬器來(lái)研究不同形狀的微型機器人的運動(dòng)，并選擇zui有希望執行給定任務(wù)的形狀。

17. S. Schuerle, A. P. Soleimany, T. Yeh, G. M. Anand, M. H?berli, H. E. Fleming, N. Mirkhani, F. Qiu, S. Hauert, X. Wang, B. J. Nelson. N. Bhatia. Synthetic and living micropropellers for convection-enhanced nanoparticle transport. Sci. Sci. Adv. 5(4), eaav4803 (2019)

摘要：納米顆粒(NPs)已成為治療各種疾病(包括癌癥、心血管和炎癥性疾病)的有利藥物輸送平臺。然而，它們將物質(zhì)運送到病變組織的功效受到一些生理障礙的阻礙。一個(gè)障礙是將藥物從血管中轉運出來(lái)，再加上隨后進(jìn)入目標組織的困難。在這里，我們報告了使用兩個(gè)不同的由旋轉磁場(chǎng)驅動(dòng)的微螺旋槳，通過(guò)增強局部流體對流來(lái)增加擴散受限的NP輸運。在第1種方法中，我們使用了一種稱(chēng)為人工細菌鞭毛(ABF)的合成磁性微機器人，在第二種方法中，我們使用趨磁細菌(MTB)群通過(guò)利用鐵流體動(dòng)力學(xué)創(chuàng )造了一種可指導的“活鐵磁流體"。這兩種方法都增強了血液外滲和組織滲透的微流體模型中的NP運輸，該模型由以膠原基質(zhì)為邊界的微通道組成。

18. Daniel Ahmed, Thierry Baasch, Nicolas Blondel, Nino L?ubli, Jürg Dual & Bradley J. Nelson. Neutrophil-inspired propulsion in a combined acoustic and magnetic field. Nature Communications 8, Article number: 770 (2017)

摘要：能夠在血管系統中精確運動(dòng)的系統可以為靶向治療和非侵入性手術(shù)的應用提供令人興奮的可能性。到目前為止，大部分工作都是在二維環(huán)境中分析推進(jìn)，在邊界附近的可控性有限。在這里，我們展示了仿生滾動(dòng)運動(dòng)，通過(guò)在磁場(chǎng)和聲場(chǎng)中引入超順磁粒子，靈感來(lái)自于在墻壁上滾動(dòng)的中性粒細胞。在旋轉磁場(chǎng)的作用下，由于偶極子-偶極子相互作用，粒子自組裝。由于聲場(chǎng)的輻射力，聚集體向通道壁遷移。通過(guò)結合這兩個(gè)場(chǎng)，我們實(shí)現了沿邊界的滾動(dòng)式運動(dòng)。聲場(chǎng)和磁場(chǎng)的使用在臨床環(huán)境中已經(jīng)成熟。這兩個(gè)領(lǐng)域的結合能夠克服單一驅動(dòng)技術(shù)所遇到的局限性。我們相信我們的方法將對靶向治療產(chǎn)生深遠的影響。

19. Burak Zeydan, Andrew J. Petruska, Luca Somm, Roel Pieters, Yang Fang, David F. Sargent, Bradley J. Nelson. Automated Particle Collection for Protein Crystal Harvesting. IEEE Robotics and Automation Letters 2(3), (2017)  

摘要：介紹了一種用于X射線(xiàn)晶體學(xué)的蛋白質(zhì)晶體采集自動(dòng)化系統。該系統使用了一個(gè)基于商用現貨組件的紫外線(xiàn)成像系統、一個(gè)磁控工具和一個(gè)彈性行為控制器。該系統通過(guò)收集超過(guò)350個(gè)聚苯乙烯珠(用作晶體模擬器)，并在14小時(shí)內在沒(méi)有人為干預的情況下將它們運送到2毫米的預定目標來(lái)驗證。識別，收集，運輸和交付晶體模擬器的平均時(shí)間為2.4分鐘，類(lèi)似于專(zhuān)家操作員。這是一個(gè)全自動(dòng)化的蛋白質(zhì)晶體采集系統第1次演示。

20. Simone Schuerle, Ima Avalos Vizcarra, Jens Moeller, Mahmut Selman Sakar, Berna ?zkale, André Machado Lindo, Fajer Mushtaq, Ingmar Schoen, Salvador Pané, Viola Vogel and Bradley J. Nelson. Robotically controlled microprey to resolve initial attack modes preceding phagocytosis. Science Robotics 2(2), eaah6094 (2017)

摘要：吞噬細胞，免疫系統的掠食性細胞，不斷探測其細胞微環(huán)境，尋找入侵者。這需要獵物的識別，然后形成足夠穩定的身體接觸。盡管免疫細胞必須施加物理力來(lái)拾取它們的微生物獵物，但由于缺乏適當的技術(shù)，人們對它們在吞噬前的守獵行為知之甚少。為了研究吞噬細胞的捕獵行為，在這種行為中，獵物附著(zhù)在物體表面的粘合劑必須被破壞，我們利用微型機器人探針來(lái)模擬細菌。我們使用5自由度磁梯度控制系統(5D-MTS)模擬不同的守獵場(chǎng)景，通過(guò)與單個(gè)巨噬細胞對抗模擬獵物的微磁鐵。通過(guò)動(dòng)態(tài)調整引導這些微粒平移和旋轉運動(dòng)的能量格局，探索平移和旋轉阻力如何調節巨噬細胞攻擊模式。對于平移抵抗性獵物，觀(guān)察到明顯的推拉攻擊。對于桿狀、無(wú)抵抗力的獵物，它們模仿自由漂浮的病原體，細胞將獵物與它們的長(cháng)軸對齊，以方便捕獲。增加旋轉陷阱的剛度來(lái)模擬抵抗性或表面束縛的獵物會(huì )破壞這種重新調整過(guò)程。在105皮牛頓納米弧度- 1左右的剛度水平下，巨噬細胞無(wú)法重新調整獵物，從而抑制了攝取。我們的5D-MTS被用作概念驗證研究，以高空間和時(shí)間分辨率探測吞噬細胞的平移和旋轉攻擊模式，盡管該系統也可用于從單細胞到器官芯片設備的長(cháng)度尺度上的各種其他機械生物學(xué)研究。

21. Naveen Shamsudhin, Vladimir I. Zverev, Henrik Keller, Salvador Pane, Peter W. Egolf, Bradley J. Nelson, Alexander M. Tishin. Magnetically guided capsule endoscopy. Med. Phys. 44 (8), e91-e111 (2017)

摘要：無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡(WCE)是一種強大的醫學(xué)篩查和診斷工具，它是一個(gè)小膠囊被吞下并通過(guò)人體胃腸道(GI)的自然蠕動(dòng)和重力移動(dòng)。集成攝像頭的膠囊允許小腸的可視化，這是以前傳統的柔性?xún)雀Q鏡無(wú)法到達的區域。作為一種診斷工具，它可以定位胃腸道中部出血的來(lái)源，并識別炎癥性腸病(克羅恩病)、息肉病綜合征和腫瘤等疾病。WCE的篩查和診斷效果，特別是在胃區域，受到各種技術(shù)挑戰的阻礙，如缺乏主動(dòng)的莢膜位置和方向控制。由于膠囊體積和能量?jì)Υ娴南拗?，大多數商業(yè)膠囊缺乏治療功能。利用人體外源磁場(chǎng)來(lái)引導、定向、驅動(dòng)和操作膠囊及其機制的可能性導致了對磁引導膠囊內窺鏡(MGCE)的研究越來(lái)越多。本工作簡(jiǎn)要回顧了WCE技術(shù)的歷史和現狀。它強調了磁技術(shù)在推進(jìn)WCE診斷和治療功能方面的作用。這篇綜述不僅局限于胃腸道，還進(jìn)一步研究了磁引導微型機器人的技術(shù)發(fā)展，這些機器人可以在體內充滿(mǎn)空氣和液體的腔體和腔體中導航，用于微創(chuàng )醫學(xué)。

22. Petruska, A.J., Edelmann, J., Nelson, B.J. Model-Based calibration for Magnetic Manipulation. IEEE Transactions on Magnetics 53.7, 2017

摘要：基于模型的磁工作空間校準不僅提供了磁場(chǎng)及其梯度矩陣的平滑表示，而且還使用物理約束來(lái)平滑校準測量。本文第1次提出了一種基于模型的磁操縱系統標定技術(shù)，該技術(shù)采用非線(xiàn)性zui小二乘法求解每個(gè)源的標量勢。通過(guò)數值有限元仿真和實(shí)際系統的實(shí)例標定，驗證了該方法的性能，該方法可以實(shí)現0.9997的r2值。此外，為了方便起見(jiàn)，給出了球面多極展開(kāi)的前三個(gè)空間導數的解析表達式，它們對應于工作空間中磁偶極子上的扭矩、力和力-空間變化率。

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