摘要：在科幻电影中，我们常看到纳米机器人潜入人体内部执行修复任务的场景。如今，这种想象正逐渐走向现实。近年来，微型机器人因其高度自由和紧凑性受到广泛关注。它们能够进入人体内难以触及的狭窄区域，执行监测、药物输送甚至手术等任务，有望彻底改变传统医疗介入方式。

在科幻电影中，我们常看到纳米机器人潜入人体内部执行修复任务的场景。如今，这种想象正逐渐走向现实。近年来，微型机器人因其高度自由和紧凑性受到广泛关注。它们能够进入人体内难以触及的狭窄区域，执行监测、药物输送甚至手术等任务，有望彻底改变传统医疗介入方式。

然而，要实现这些功能，微型机器人需具备几个核心能力：无线驱动、高精度传感、实时反馈和长期稳定性。其中，磁驱动被广泛认为是实现无线操控的有效方式，它可对微型机器人施加精确的力和扭矩，从而控制其运动和形变。但仅有驱动还不够，如何在毫米甚至微米尺度上集成传感与通信系统，一直是技术上的瓶颈。

大多数现有的无线生物电子系统仍依赖机载电池，这增加了装置的重量和体积，降低了其在磁驱动下的机动性。虽然无电池技术（如电磁耦合）有所进展，但传输距离短（通常小于10厘米）和信号干扰问题限制了其应用。此外，在复杂的人体环境中，如何实现稳定、抗干扰的传感与数据回传，仍是亟待解决的难题。

▍全新解决方案，嵌入式超声波软传感器（EUSS）与磁驱动融合

针对上述挑战，来自华中科技大学的研究团队提出了一项创新性的技术：将嵌入式超声波软传感器（Embedded Ultrasonic Soft Sensor, EUSS） 与磁力驱动器结合，构建出既能被无线操控又能实现多参数感知的机器人传感器方法。

该成果以“Miniature magneto-ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation”为题发表在国际顶级期刊《Science Robotics》上

EUSS的核心是一个基于声子晶体理论的二维微结构。该结构由周期性排列的空气腔（散射体）嵌入软硅橡胶基质中构成，形成类似晶体晶格的排列方式。这种周期性结构会形成所谓的“声子带隙”——特定频率范围内的声波无法透过结构传播，而是被强烈反射。

EUSS的传感机制建立在机械变形改变其声学特性的基础上。当传感器受到外力、温度变化或振动作用时，其硅橡胶基质会发生微应变，导致空气腔的间距和形状改变。这种变化会直接影响声子带隙的位置，表现为反射超声波的峰值频率发生偏移。通过外部的超声探头检测这一频移，就能高精度地反推出EUSS所处环境参数的变化。

整个EUSS单元的尺寸仅为1.3 mm × 1.3 mm × 1.6 mm，重量只有4.6毫克，非常适合集成到微型机器中。与传统的依靠水凝胶膨胀的超声传感方式不同，EUSS将驱动器直接作为传感接口，不仅扩展了可检测的信号类型（如力、振动、粘度、温度等），也增强了其在反馈控制中的实用性。

▍系统工作机制：超声成像与频率分析的融合

该机器人传感系统构建了一个完整的无线感知-操控闭环，其工作流程分为三个精密协调的阶段：

超声图像采集与机器人跟踪：系统采用六自由度机械臂搭载的线阵超声探头，实现对微型机器的实时成像与跟踪。机械臂可进行亚毫米级的精确定位，确保超声波束以最佳角度入射至EUSS。研究团队发现，当入射角度小于15度时，EUSS的频率响应最为稳定，为此开发了自动对准算法，通过扫描不同角度下的回波信号强度，自动寻找法向入射方向。

参数优化与数据采集：通过定制开发的软件系统，实现对超声成像参数的实时调节。系统可精确控制发射频率（4-10 MHz可调）、焦点深度、扫描线密度（最高可达5线/毫米）和接收增益等参数。特别值得一提的是，系统采用射频（RF）原始数据而非常规B超图像进行分析，保留了完整的相位和振幅信息，为后续频域分析提供高质量数据基础。

信号处理与特征提取：对采集到的RF数据执行快速傅里叶变换（FFT），将其从时域转换到频域。研究人员开发了专门的特征提取算法，通过识别频域中的峰值频率来确定EUSS的当前状态。该系统采用多扫描线平均技术（通常同时分析5条相邻扫描线），显著提高了信噪比和测量稳定性。实验表明，在法向入射条件下，系统的频率测量均方根误差（RMSE）可低至0.032 MHz。

实验表明，该系统的回波频率检测限可达374.4 Hz，具备高灵敏度和稳定性。即便在高达15°的倾斜角度下，系统仍能通过频率变化判断入射角度，实现自动校准与对齐。

▍多场景应用，从力反馈夹爪到体内药物递送

用于无线力传感和反馈拾放操作的微型夹持器

在许多临床操作中，如组织活检或细胞操作，需要对夹持力进行精确控制。力过大可能导致组织损伤，力过小则无法有效抓取。

研究团队开发了一种磁性软体夹持器，其末端集成两个EUSS单元。当夹持器接触物体时，EUSS发生形变，通过超声回波频率的偏移可计算出实际受力。实验显示，该夹持器的力灵敏度达到6100 Hz/mN，分辨率高达61.3 μN——足以安全地操作鲑鱼卵这类脆弱对象。

在超声图像的实时引导下，夹持器可完成对鱼卵的抓取、移动与释放，全程力反馈确保操作在安全阈值内进行。这一能力对于未来实现体内组织力学测量或微创手术具有重要意义。

用于无线振动感知和反馈导航的微型螺旋型机器人

在动态生理环境中，许多信号具有节律性，如心跳或血管搏动。这些振动既是信息来源，也可能是风险来源——例如在脑部导航中，机器人的尖锐端可能刺伤血管。

为此，研究人员设计了一种螺旋型磁性机器人，其表面集成了EUSS用于振动感知。在人工血管模型中，机器人能根据接收到的振动频率变化判断与血管的距离：频率偏移越小，距离越远；偏移越大，距离越近。这种信息可用于实时调整导航路径，避免碰撞重要组织。

用于体内无线剂量传感和目标递送的微型胶囊机器人

药物递送的精准性直接影响治疗效果。传统口服或静脉注射难以实现局部高浓度给药，而微型机器提供了新的解决方案。

团队开发了一种胶囊型机器人，内部包含药物储腔、磁性活塞和与EUSS连接的软条。当外部磁场驱动活塞运动时，药物被推出微孔，同时EUSS受拉发生形变。通过监测回波频率的变化，系统可反推出释放的药物体积。

在离体猪胃实验中，机器人成功实现了多级剂量释放，单次最小释放量可达0.618 μl。在活兔实验中，通过荧光与超声双模成像引导，机器人在胃部精准释放药物，并实时反馈剂量数据。这表明该技术有望用于癌症局部化疗或胃肠疾病治疗。

用于体内无线粘度传感和操控的微型粘度计机器人

血液、消化液等体液的粘度变化与多种疾病相关，但现有检测方法多需抽血或内窥镜取样，无法实现长期原位监测。

研究团队设计了一种粘度传感机器人，其振动板由磁驱材料制成，与EUSS相连。在旋转磁场中，振动板发生周期性运动，其振幅受周围流体粘度阻尼的影响。通过EUSS检测振动幅度对应的频率偏移，即可推算出环境粘度。

在离体猪胃模型中，机器人成功区分了不同粘度的液体，甚至检测到注入血液后的粘度变化。在活猪实验中，通过导管将机器人送入胃内，成功实现了对模拟消化液的粘度监测。

用于体内无线温度传感和加热的磁性温度计机器人

温度在炎症检测、肿瘤热消融等场景中至关重要，但现有技术难以在微型尺度上实现无线、实时的温度感知与调控。

温度计机器人采用双金属螺旋结构作为热敏元件，其热膨胀效应会拉伸EUSS，引起频率变化。实验显示，在30°C–60°C范围内，该机器人的温度灵敏度为1200 Hz/°C，分辨率达0.31°C，完全满足临床热消融的反馈需求。

在离体猪肝组织实验中，机器人在射频消融过程中持续监测温度变化，避免了组织过热损伤。在活体猪模型中，多次热调控实验均显示系统能可靠反馈温度数据。

来源：机器人大讲堂