Science子刊：研究人员创造了移动微小生物颗粒的新工具

　　

接受手术很少是一个愉快的经历，有时它可能是高度侵入性的。几个世纪以来，随着解剖学和生物学知识的发展，外科手术稳步发展。

创新的方法也得到了新工具的支持，自20世纪80年代以来，机器人使用的增长大大推动了医疗保健的发展。助理教授Zhenhua Tian在利用机器人技术和无创声学技术的进步中又向前迈进了一步，他的团队的工作成果已发表在《科学进展》杂志上。

机器人协助手术

机器人手术自发明以来就具有侵入性，因为它涉及到切割，而且通常需要在切口插入其他器械。然而，由于机器人辅助工具可以更小，切口也往往比传统手术要小，这使得机器人成为首选。这种形式的手术已经证明了它的好处，并且随着时间的推移使用越来越多，对患者的好处包括

• 减少不适和出血

• 在医院待的时间少了

• 更快的恢复期

事实上，根据美国外科医师学会(American College of Surgeons)的数据，2012年，1.8%的手术使用了机器人。到2018年，这一比例上升到15.1%，并且随着机器人技术的进步，这一比例还在继续上升。一些最常见的手术包括阑尾切除术、子宫切除术和胃旁路手术。

无创性声音治疗

虽然机器人辅助手术有其优势，但田的团队已经将这一想法向前推进了一步:团队成员正在开发一种在体内非侵入性地移动小目标(如细胞和药物)的方法。这意味着这种方法不需要切割。

这个秘密是在声学能量发射器中发现的，田的团队用它来包围和捕获粒子，就像看不见的镊子一样工作。发射器产生的3D声涡流场可以穿过骨骼和组织等屏障，彼此交叉形成微小的环形声阱。捕获在声阱中心的微到毫米大小的物体可以移动和旋转。他的声学涡旋发展获得了2024年国家科学基金教师早期职业发展计划(Career)奖。

“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，随着我们继续这项研究，我预计我们会发现许多新的应用。”

通过在机器人平台上安装声涡旋发射器，声涡旋光束可以在微米尺度上移动。因此，可以在三维空间中精确设置粒子捕获区域，并且可以设计捕获后移动粒子。当一个微小的物体沿着血管的弯曲路径移动时，这可能是一个关键的特征。

不仅仅是医学

虽然田的团队能够移动固体结构后面的小物体，但声涡旋光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颗粒，但将声能发射器与机器人技术相结合的应用范围已经超出了手术和非常小的颗粒。非接触式机器人操作在工程、生物学和化学研究等许多其他应用中具有潜力。其中包括

• 控制微型机器人

• 处理精致的生物颗粒，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

• 为复合材料制造安排纳米材料

“当我们最近参加一个STEM博览会时，参观我们的孩子们喜欢把小珠子放进我们的设备产生的看不见的声场中，但我们想为他们提供机会来移动更大的物体，”Zhenhua Tian说。“明年，我们希望有一个更大的发射器，可以容纳一个乒乓球。看看我们如何将这种方法应用到我们的其他研究中，这将是一件有趣的事情。”