教授专栏205| 胡文琪:开发全球首个仿生人工纤毛系统,为未来医疗及工程微型机械人应用开创新方向

香港科技大学港科大研究团队成功研发出全球首个能够模拟人体天然纤毛快速、复杂及三维运动的人工纤毛系统在仿生软材料及微型工程领域迈出重要一步。该突破性研究成果已发表于《自然》期刊论文题为《三维列印低电压驱动水凝胶纤毛微型致动器》。纤毛遍布人体属于微米级毛状结构负责清除呼吸道黏液、推动脑脊液循环流动并协助与生殖相关的体内运作。尽管科研界多年来致力于模拟其精密的机械特性但在人工系统中重现其逼真、高速且协调的运动一直是一项极具挑战性的任务。港科大机械及航空航天工程学系助理教授胡文琪教授右、其研究生陈熙左及其他港科大研究团队成员成功研发全球首个仿生人工纤毛系统为医疗技术及微型机械人应用带来突破性进展。由港科大机械及航空航天工程学系助理教授胡文琪教授领衔的研究团队通过整合多项前沿技术成功破解上述难题。团队采用高精度3D打印技术制备出体积微小且具有高度柔韧性的仿生结构并进一步优化水凝胶的内部结构以加快离子传输速度使人工纤毛能够实现快速而灵敏的运动。此外研究团队自主研发的微型电极系统可对每一根纤毛进行独立控制实现高度协调且可编程的运动模式。综合上述创新人工纤毛在运行速度、动作复杂度及耐用性等方面均达到了前所未有的水平。港科大同时牵头与德国斯图加特马普智能系统研究所开展合作引入其在微型机器人领域具有国际领先水平的专业知识及实验验证技术并与土耳其科奇大学合作充分发挥其在物理智能及系统层面整合方面的优势。港科大机械及航空航天工程学系助理教授胡文琪教授右、科奇大学Koç University医学院及工程学院院长兼教授 Metin Sitti 教授左。两所大学合作成功制备能以极低电压与一般家用电池相当驱动的水凝胶微纤毛其内部带电粒子可在电场作用下移动使纤毛产生可控弯曲。通过跨国协作研究团队成功制备出可在极低电压与普通家用电池相当条件下驱动的水凝胶微纤毛其内部带电粒子可在电场作用下移动从而使纤毛产生可控弯曲。研究人员还可通过调节电信号输入生成类似生物系统的复杂弯曲与旋转运动。胡文琪教授表示“以往的人工纤毛在速度、柔软度或控制精度方面均存在不足。我们的设计首次将天然纤毛的所有关键特性集于一身——柔软、快速、耐用并能够在大规模阵列中实现同步运动。”他进一步指出“本研究为理解纤毛在健康状态下的运作机制迈出了关键一步也为未来在微尺度上实现精准流体操控的医疗及工程应用奠定了重要基础。”电驱动水凝胶微型致动器的制备、运作机制及装置示意图。随着相关技术逐步迈向临床应用阶段确保其长期安全性与生物相容性尤为关键。目前港科大研究团队正积极推动人工纤毛技术由实验室概念验证向更具应用导向的系统转化包括扩大制备规模、融合传感与反馈控制机制以及在更接近真实应用场景的生物环境中开展性能测试。除医疗应用外人工纤毛在多个技术领域同样展现出广阔前景。相关技术可在微流控系统中充当微型泵或混合器无需依赖体积庞大的机械部件。在机器人领域其轻柔而精细的运动特性有望为在狭窄或复杂环境中运行的超微型机器人带来全新的运动或操控方式。此外该技术还有望推动先进制造、环境监测乃至柔性可穿戴设备等需要在微尺度下实现高效、可控运动的应用场景。水凝胶微纤毛阵列的动态弯曲运动示意图。该研究属于更广泛的国际仿生微型机器人研究领域致力于开发能够借鉴生物系统运动机制、并以类生命方式与周围环境互动的微型机器。教授专栏由香港科技大学主理出品的【教授专栏】汇集来自不同领域教授的学术成果、前沿论断及知识科普用最新鲜的视角解读社会动态以最前沿的角度解释科技奥秘。期待通过香港科技大学的平台聚合更多新锐观点打造出一期又一期生动又深刻的【教授专栏】教授简介胡文琪教授香港科技大学机械与航空航天工程系和综合系统与设计分部助理教授拥有微电子学士学位和电气工程博士学位专注于光控微型机器人研究。博士毕业后胡教授加入马克斯·普朗克智能系统研究所MPI-IS担任洪堡研究学者并于2019年晋升为高级科学家随后在2022年出任仿生自主微型机器人研究组组长。胡教授的研究方向主要是微型机器人、软体机器人、手术机器人、水下机器人、植入式医疗设备、多材料微加工技术等。他的研究为软磁材料和微型软体机器人控制领域做出了贡献其成果发表在《自然》和《科学机器人》等知名期刊上获超过5000次引用并荣获ICRA 2012最佳会议论文奖入围、RSS 2019最佳论文奖以及马克斯·普朗克学会颁发的the Günter Petzow Prize等荣誉。除了研究之外他还担任《微型生物机器人杂志》副编辑并参与Living Machine和MARSS等多个委员会。往期回顾教授专栏191 |齐晔: 全球气候行动何去何从教授专栏190 | 马军:机器人仓储系统如何进一步推动智慧物流的发展主编 | 袁冶责编 | 周姗核校 | 柳松、许珺、吴倩来源 | 转载自香港科技大学快讯 公众平台