萬博 發(fā)自 凹非寺量子位 | 公眾號 QbitAI
果然，人類科技進(jìn)步的原動力，就是懶惰。
從洗碗機(jī)到掃地機(jī)器人，現(xiàn)在連刷牙微型機(jī)器人都來了！
而且這種微型機(jī)器人，還具備牙醫(yī)助手的功能：
不僅能夠根據(jù)微型機(jī)器人構(gòu)成材料的化學(xué)特性，清理導(dǎo)致蛀牙的牙齒生物膜和細(xì)菌，還能采集口腔中的病菌，幫助診斷口腔問題。
研究成果一經(jīng)發(fā)表就引起熱議，有網(wǎng)友甚至已經(jīng)開始暢想，以后會不會連牙醫(yī)都不需要了？
看網(wǎng)名，這位老哥自己應(yīng)該就是一位牙醫(yī)，職業(yè)危機(jī)意識很敏感呀 （手動狗頭）
機(jī)器人怎么幫你刷牙？
可變形，能除垢，還能為牙醫(yī)采集診斷資料，是這種刷牙微型機(jī)器人的3大功能。
實現(xiàn)這些功能的背后原理，是同時利用了氧化鐵納米顆粒（IONP）的磁場控制和化學(xué)特性。
具體來看：
IONP可以通過改變磁場進(jìn)行形態(tài)的變化，相信大家都看過類似這樣的視頻：
而這一原理，目前已經(jīng)被廣泛運用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，刷牙微型機(jī)器人，也正是以IONP為載體實現(xiàn)的。
首先，為了能對IONP進(jìn)行可控變形，研究團(tuán)隊設(shè)計了一個具有機(jī)器人原理的磁場控制平臺，能夠通過改變磁場，來組裝、重新配置和驅(qū)動IONP的上層結(jié)構(gòu)。
通過這個控制平臺，IONP就可以變成具備一定剛性，類似于鬃毛一樣的形態(tài)，這些鬃毛可以像牙刷一樣，刺穿牙齒表面的生物膜，直達(dá)牙垢覆蓋面進(jìn)行清理。
而且，這些“鬃毛”還有一個能力，就是長度、覆蓋面積可控，研究團(tuán)隊在對IONP懸浮液進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn)，“鬃毛”長度和覆蓋面積取決于3個因素：
- IONP懸浮液濃度，濃度越高長度越長；
- 流體拖拽力的速度，IONP會跟著磁場來回運動，當(dāng)磁場拖拽速度更快的時候，IONP之間的內(nèi)聚力被破壞，長度就會變短；
- 磁場強(qiáng)度也是因素之一，“鬃毛”長度與磁場強(qiáng)度之間，存在正相關(guān)關(guān)系。
在實驗的過程中，研究團(tuán)隊通過改變IONP的內(nèi)聚力和剛性，實現(xiàn)了IONP在復(fù)雜表面的運動和清理。
在之后的實驗中，研究團(tuán)隊用3D打印復(fù)制了一個人類口腔結(jié)構(gòu)，在上述實驗的基礎(chǔ)上，成功實現(xiàn)了IONP的“牙線”形態(tài)，在細(xì)菌集結(jié)的牙齒縫隙中起到清理作用。
牙刷微型機(jī)器人的除垢能力，依靠的是IONP的化學(xué)特性。
在此之前，已經(jīng)有研究表明，IONP具有過氧化物酶樣活性，可以催化過氧化氫達(dá)到抗菌效果，而IONP也已經(jīng)被應(yīng)用于生物膜的處理。
研究團(tuán)隊在一塊固定的幾何板上，精確引導(dǎo)IONP到需要清理的病菌區(qū)，IONP“鬃毛”與生物膜直接接觸，同時在靠近病菌區(qū)的地方通過催化過氧化氫產(chǎn)生的活性氧，實現(xiàn)了原位殺滅細(xì)菌。
為了驗證收集診斷資料的能力，研究團(tuán)隊使用了一種白色念珠菌——一種細(xì)菌和真菌的病原體——通常存在于牙齒表面的生物膜中。
研究團(tuán)隊在收集了上述階段的生物膜樣品后，發(fā)現(xiàn)活性細(xì)菌和真菌都存在于IONP的“鬃毛”內(nèi)。
這也證明IONP在清理過程中，可以將活性的病菌帶出并作為牙醫(yī)診斷口腔問題的證據(jù)。
綜上所述，以IONP作為載體的刷牙機(jī)器人，在理論上可以實現(xiàn)口腔清潔、診斷的能力，但能否真正在人體中工作，還需要證明一件事：
IONP會不會對生物口腔產(chǎn)生損壞。
為此，研究團(tuán)隊專門進(jìn)行了生物相容性的分析，用IONP對一個體外豬頜模型進(jìn)行處理。
實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“刷牙”10分鐘后，豬頜牙齦組織并沒有受到損傷，而且IONP也沒有顯示出細(xì)胞毒性。
也就是說，以IONP為載體的概念牙刷微型機(jī)器人，理論上可以投入應(yīng)用。
研究團(tuán)隊目前正在持續(xù)優(yōu)化刷牙微型機(jī)器人的運動控制，并考慮開發(fā)一種口腔貼合設(shè)備，降低刷牙微型機(jī)器人的使用門檻。
怎么樣，這么厲害的刷牙微型機(jī)器人，你就不想來一個？
作者介紹
研究來自賓夕法尼亞大學(xué)的口腔醫(yī)學(xué)學(xué)院和工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，成果已經(jīng)發(fā)表在《ACS納米》雜志上。
通訊作者Edward Steager博士，賓夕法尼亞大學(xué)高級研究調(diào)查員，博士后研究員。研究領(lǐng)域涉及自動化與機(jī)器人，微型機(jī)器人機(jī)電一體化等等。
共同通訊作者Hyun Koo博士，賓夕法尼亞大學(xué)牙科醫(yī)學(xué)院教授，主要研究領(lǐng)域包括生物外基質(zhì)、生物膜內(nèi)微環(huán)境、以及EPS的產(chǎn)生和嵌入基質(zhì)病原體之間的關(guān)系。
參考鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01950
https://penntoday.upenn.edu/news/penn-dental-engineering-shapeshifting-microrobots-can-brush-and-floss-teeth
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