弗吉尼亚理工学院暨州立大学团队领导的研究人员开发了一种机器人辅助手术技术，该技术利用声涡镊子捕获和移动体内的小目标(如细胞和药物)，而无需进行手术切口。该团队由助理教授田振华博士领导，在《科学进展》上报道了这项技术，展示了声学技术如何穿透生物组织到达目标分子或结构，并在三维空间中操纵它们。作者提出，随着进一步发展，该技术可以应用于生物医学工程和先进制造等领域。

该系统在一篇题为“机器人辅助手性可调声涡旋镊子，用于非接触式、多功能、4自由度物体操纵”的论文中进行了描述，其中科学家表示：“我们开发的平台所展示的功能证明了它在从先进制造到临床医学的广泛应用中的巨大潜力。”

手术有时具有高度侵入性。近年来，手术程序的改进和机器人技术的使用使手术技术得到了发展。虽然使用机器人进行的手术仍然具有侵入性，但机器人辅助工具可以更小，因此切口也往往比传统手术更小。对患者的好处包括更少的不适和出血、缩短住院时间以及更快的恢复时间。一些最常见的涉及机器人的手术包括阑尾切除术、子宫切除术和胃绕道手术。

机器人辅助手术有其自身优势，但田博士及其同事开发的技术代表了将机器人技术与非侵入式声学技术相结合的新进展。他们的方法可以在体内移动细胞和药物等小目标，而无需进行任何切口。

该技术利用声能发射器，可以像隐形镊子一样包围和捕获粒子。发射器产生3D声涡场，可以穿过骨骼和组织等障碍物，相互交叉形成微小的环形声阱。然后可以移动和旋转被捕获在声阱中心的微米到毫米大小的物体。田因声涡流开发而获得2024年美国国家科学基金会教师早期职业发展计划(CAREER)奖。

作者在论文中解释道：“机器人辅助手性可调声涡旋镊子系统有两个关键模块：一个可以产生手性可调声涡旋镊子来捕获和旋转单个物体的声学装置，以及一个可编程的机器人模块，用于在大型3D空间中与被捕获的单个物体一起平移和倾斜声学装置。”

通过将声涡旋发射器安装到机器人平台上，声涡旋束可以在微米级移动。因此，可以在3D空间中精确设置粒子捕获区域，并且可以设计捕获粒子后的移动。

研究人员在论文中证实，声涡旋光束既可以穿透6毫米厚的五花肉样本，捕获3毫米厚的塑料球，也可以穿透真正的猴子头骨(约1.6毫米厚)，制成可以悬浮塑料立方体的镊子。他们还创建了一个模拟血管的结构，证明了机器人控制系统可以在Y形血管中上下移动小球。他们写道：“我们还展示了穿透生物屏障的声涡旋镊子，通过将声涡旋光束传输到约6毫米厚的皮肤组织和约1.6毫米厚的头骨中，以捕获和旋转单个物体，并在软组织内36毫米厚的分支血管中的Y形通道内平移物体。”

这种沿着血管蜿蜒路径移动微小物体的潜力可能是该技术的一个关键特征。“在不破坏皮肤的情况下在静脉内移动细胞和药物的能力为医学创造了新的机会，”田说。“随着我们继续进行这项研究，我预计我们会发现许多新的应用。”

田的团队可以利用该技术将小物体移到固体结构后面，而声涡流束也可以移动气体和液体中的粒子。虽然​​目前的方法针对的是这些物质中的小粒子，但将声能发射器与机器人技术结合起来，其应用范围不仅限于外科手术和极小的粒子。

非接触式机器人操控在工程、生物学和化学研究领域的许多其他应用中具有潜力。其中一些可能包括控制微型机器人、处理精细的生物颗粒(例如外泌体和细胞)、运输危险试剂液滴、控制胶体材料的自组装或排列纳米材料以进行复合材料制造。

作者说：“我们相信，这种类型的机器人平台的成功开发将推动广泛的应用，例如非接触式处理精细的生物样本(例如胚胎、蠕虫、斑马鱼等)以进行分离和分类，在具有生物屏障的区域(例如组织和头骨)移动物体，排列微物体以控制自组装，以及排列细胞分布以进行生物制造。”

田评论道：“我们最近参加STEM博览会时，来访的孩子们喜欢把小珠子放入我们设备产生的不可见声场中，但我们希望为他们提供移动更大物体的机会。明年，我们希望有一个更大的发射器，可以容纳乒乓球。看看我们如何将这种方法融入我们的其他研究将会很有趣。”

作者进一步表示：“为了进一步突破这项工作的界限，我们未来的研究将研究对更多生物样本的操纵，如细胞、胚胎、蠕虫和斑马鱼;我们将测试在流动介质中操纵物体的方法;我们将探索在生物医学工程和先进制造中的应用。”

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