3D

Oct 05, 2023

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5875(2022) 이 기사 인용

11,000번의 액세스

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측정항목 세부정보

마이크로로봇은 인체 내 접근하기 어려운 부위에서 작업을 수행할 수 있는 독특한 기능으로 인해 과학자들의 관심을 끌었습니다. 마이크로로봇은 화물 운송, 샘플링, 수술 및 이미징 응용 분야를 위해 개별적으로 또는 떼로 정확하게 작동되고 조종될 수 있습니다. 또한 마이크로로봇은 환경 부문(예: 수처리)에서도 응용될 수 있습니다. 게다가, 최근 3차원(3D) 프린터의 발전으로 마이크로 제조 기술이 제한된 사용자를 위해 더 빠른 디자인-생산 소요 시간을 갖춘 고해상도 마이크로 로봇 제작이 가능해졌습니다. 여기에서는 실행 가능한 작동 방법(예: 온보드 및 오프보드)과 마이크로로봇 제작을 위한 실용적인 3D 프린팅 기술에 대한 간략한 논의와 함께 3D 프린팅된 마이크로 로봇의 최신 최종 애플리케이션(환경에서 생의학 애플리케이션까지)을 검토합니다. 또한, 미래 관점으로 마이크로로봇과 스마트 소재의 통합으로 얻을 수 있는 잠재적 이점과 인공지능(AI) 및 물리적 지능(PI) 구현을 통해 얻을 수 있는 이점에 대해 논의했습니다. 또한, 마이크로 로봇의 벤치에서 침대 옆 번역을 촉진하기 위해 생체 적합성을 보장하기 위한 진입 장애물(예: 면역 체계 공격) 및 번거로운 표준 테스트 절차를 포함하여 마이크로 로봇의 임상 번역을 방해하는 현재 과제가 정교화되었습니다.

마이크로 및 나노미터 규모로 제작된 기계 및 로봇(마이크로 및 나노 로봇)의 새로운 과학은 지난 10년 동안 엄청난 발전을 이루었습니다1,2. 새로운 적층 제조 방법(3차원(3D) 프린팅 기술)은 크기와 관련된 한계를 뛰어넘는 반면, 스마트 소재(예: 특정 조건에 반응하도록 설계된 소재)의 사용으로 인해 이러한 로봇의 기능은 향상되었습니다. 특정 pH 또는 단백질 수준), 보다 정확한 작동 기술(즉, 온보드 및 오프보드 방법), 물리적 지능(PI) 및 인공 지능(AI)과의 통합이 가능합니다. 따라서 이러한 로봇은 생체 의학 응용을 위한 새로운 장치 중 하나가 되어 최소 침습 의학3(예: 미세 수술4 및 물체의 감지, 조작, 조립 및 격리5,6)에서 차세대 패러다임 체인저로서의 위치를 ​​확보하고 있습니다. 세포/약물 전달7,8,9,10 및 영상/스캐닝 목적12,13,14,15,16,17을 위한 점성 매체11(예: 혈액과 같은 생물학적 유체)에서의 기동 가능한 탐색.

정의에 따르면 3D 프린터는 CAD(컴퓨터 지원 설계)18,19,20,21,22를 기반으로 레이어별 방식으로 개체를 생산합니다. 3D 프린팅은 미세유체공학부터 실험실/장기 온 칩 기술23,24,25,26,27,28,29,30에 이르는 다양한 생물의학 분야에 크게 기여했습니다. 기존의 마이크로로봇 제작 방법(예: 리소그래피 방법31,32, 전기화학33,34,35 또는 물리적 증기를 이용한 증착 기술36,37, 조립 기술38, 롤업 기술39, 무전해 도금40 및 변형 엔지니어링 방법41)과 비교하여 3D 프린팅 기술 설계 수정 사이의 빠른 전환 간격으로 상대적으로 비용 효율적인 프로세스를 제공합니다. 게다가, 금속42,43, 폴리머(예: 플라스틱 및 하이드로겔)44,45,46,47,48,49, 바이오잉크(즉, 세포가 내장되거나 내장되지 않은 생체 적합성 재료)50를 포함하여 다양한 재료를 3D 프린팅할 수 있습니다. , 51,52 및 복합재 53,54,55. 따라서 비교적 높은 접근성과 높은 수준의 재현성은 뛰어난 마이크로 제조 기술이 없는 사용자에게도 마이크로 로봇 생산을 위한 새로운 방법으로 3D 프린팅의 위치를 ​​강화합니다.

미래의 관점에서 AI는 인간 전문가보다 더 정확하게 설계 매개변수를 최적화함으로써(예: 특정 생체 유체에서 수영 마찰을 최소화하기 위한 최적의 치수 결정) 마이크로 로봇의 설계를 가속화할 수 있을 뿐만 아니라 재료에서도 역할을 할 수 있습니다. -대상 부위의 화학적 특성을 기반으로 한 선택1,58,59. 게다가 AI를 활용하여 디자인의 인쇄 가능성을 예측하고 3D 인쇄 매개변수를 조정하여 가능한 최고의 인쇄를 얻을 수 있습니다(예: 빛 강도(광 유도 방법) 또는 압력/온도(압출 기반 방법) 조정) . 생산 후, AI는 예상치 못한 환경 변화(예: 혈관 내 혈류 속도의 예상치 못한 변화)에도 불구하고 마이크로 로봇이 목표 부위에 도달할 수 있도록 작동 매개변수를 조정하여 시험관/생체 내에서 마이크로 로봇의 제어를 용이하게 합니다. 반면에 PI는 마이크로로봇이 작동하는 환경(예: 특정 pH 수준에서 약물 방출)을 감지하고 이에 적응함으로써 독립적으로 행동할 수 있도록 할 수 있습니다60. 그러나 마이크로로봇 제작 및 작동의 모든 발전에도 불구하고 이러한 의료 기기를 벤치에서 침대 옆으로 옮기는 것은 아직 어려운 일입니다. 마이크로 로봇 장치의 비용 효과적인 대량 생산은 여전히 ​​해결해야 할 과제이지만, 마이크로 로봇은 신체에 진입하여 목표 부위까지 장애물에 직면해야 합니다(예: 신체의 면역 체계에 의해 공격을 받고 제거됨)61 . 또한, 마이크로로봇의 안전성과 기능성을 보장하기 위한 현재 테스트 표준은 번거롭고 비용이 많이 드는 절차를 요구하므로 상용화된 임상 적용을 위한 마이크로로봇의 초기 변환이 지연됩니다(그림 1)62.