软体材料+智能驱动：个性化微创医疗工具新趋势

与传统刚性机器人不同，由水凝胶和形状记忆聚合物等柔性材料制成的软体机器人能够高度模仿人体组织特性。因此，它们能够在人体内进行几乎无创伤的操作，大幅降低损伤风险，同时显著提高治疗精准度。此外，材料科学和微加工技术的进步显著使它们的功能和临床应用得到极大拓展。

在体外和体内经过验证的水凝胶基连续体软体机器人包括：（a）用于靶向药物递送的磁控微型机器人；（b）用于精准治疗输送的微米和纳米级机器人；（c）用于实时监测的仿皮肤水凝胶传感器；（d）用于可穿戴应用的基于纺丝设计的可编织水凝胶纤维机器人。图片来源：《Hydrogel-Based Continuum Soft Robots》

水凝胶：自适应刺激响应型驱动器

在众多软体材料中，水凝胶凭借其高含水量、超软特性和卓越的生物相容性脱颖而出。它们在软体机器人领域尤其有价值，因为它们能够对温度、pH值、光和磁场等外部刺激做出响应，因此无需电机或机械关节即可实现可编程变形。此外，水凝胶系统还可通过自主响应设计增强其在动态生物环境中的功能。例如，研究人员开发了一种可生物降解的磁性水凝胶机器人，可通过切换运动模式来递送化疗药物。同样，超声响应水凝胶可通过稳定干细胞和对抗氧化应激来促进骨愈合，其作用机制依赖于声学刺激。这些创新凸显了水凝胶驱动器的多功能性及其在精准医疗应用领域的治疗潜力。

仿生设备在临床中的应用

除了驱动特性外，水凝胶在仿生软体设备中也发挥着重要作用。例如，由明胶基水凝胶制成的软体微机器人展现出了穿透血脑屏障的能力，这是传统药物载体难以企及的壮举。它实现了胶质瘤化疗药物的局部递送，提高了疗效并最大限度地降低了全身毒性。此外，水凝胶基可穿戴设备如今已可监测运动和压力，为患者的物理治疗和康复过程提供帮助。这些系统不仅可以检测应变和形变，还可为受控运动提供反馈。因此，水凝胶集成式可穿戴设备有助于临床诊断和康复。

软体机器人的制造技术。图片来源：《Emerging soft medical robots for clinical translations from diagnosis through therapy to rehabilitation》

制造和驱动技术的进步

为应对复杂的医疗任务，研究人员正加速转向3D和4D打印技术，借此构建能响应环境刺激改变形状或功能的精密水凝胶结构。其中，4D打印水凝胶在植入后可膨胀或收缩，因此可在创口封闭和组织支架等应用中大显身手。在驱动控制方面，目前采用的是多模态控制机制。例如：磁场可实现远程控制，光和热则能实现精准的空间激活，而化学刺激（包括pH值变化）尤其适用于肿瘤微环境等特定部位的靶向驱动。通过整合多种控制方式，工程师们成功创建出响应能力更强的可调控系统。

表：水凝胶基软体机器人的关键见解

临床转化和行业兴趣增长

值得注意的是，该领域在学术界和商业领域均发展迅速。例如，软体机器人领域的出版物数量从2005年的仅20篇激增至2024年的近600篇，反映了研究活动呈爆发式增长。与此同时，受达芬奇机器人系统和新兴软体机器人工具等创新技术的推动，相关专利申请量在2016年已接近1万项。因此，软体机器人的应用范围已从手术室拓展至诊断、治疗及家庭康复系统。

医疗领域的软体未来

总而言之，水凝胶基软体机器人正在重新定义医学诊断、治疗和康复的模式。凭借其柔软性、适应性和响应能力，这类机器人能在人体内安全高效地执行任务。随着制造工艺的完善和监管路径的明晰，它们必将成为个性化微创护理领域不可或缺的工具。软体材料与智能驱动的融合不仅代表着一种趋势，更标志着医疗机器人技术的范式革命。