低摩擦磁控胶囊机器人实现胃肠病灶检测的驱动-控制-传感一体化研究

为解决传统胃肠检测方法患者痛苦大、现有胶囊机器人运动不可控且传感功能单一的问题，研究人员开发了一种集成驱动-控制-传感的低摩擦系数磁控胶囊机器人。通过共价交联水凝胶皮肤将表面摩擦系数降低4倍以上，在活体猪小肠中实现12.79 mm s?1的平均推进速度，并能在pH 2-8和36-40°C范围内连续检测。该研究为胃肠道疾病精准诊疗提供了创新解决方案。

　　

胃肠道疾病是全球高发的健康威胁，传统内窥镜检查常伴随患者强烈不适，而被动式胶囊机器人又存在运动不可控、检测数据随机性大等缺陷。更棘手的是，胃肠道的复杂褶皱环境和黏膜高摩擦阻力，使得现有胶囊机器人难以实现精准导航与多功能集成。这些痛点严重制约了胃肠道疾病的早期诊断和精准治疗。

针对这一挑战，中国科学技术大学的研究团队在《Research》发表了一项突破性成果。他们创新性地设计出具有驱动-控制-传感全集成功能的低摩擦磁控胶囊机器人，通过多学科交叉技术攻克了运动控制、环境适应性和功能整合三大难题。

研究采用模块化设计将驱动模块与传感模块分离集成：驱动模块采用NdFeB永磁体实现磁控导航，传感模块整合了基于聚苯胺修饰的柔性pH电极（灵敏度达-60.67 mV pH^?1）和温度传感器。关键技术突破在于：1）通过共价交联法制备10-25μm厚的聚丙烯酰胺水凝胶皮肤，使表面摩擦系数降低4倍；2）建立磁力-扭矩控制模型，量化了最佳操控距离参数（l_mag=50 mm，l_lag=15 mm）；3）开发多模态运动策略，包括摆动、滚动和连续旋转三种模式组合。实验采用离体猪胃肠模型和活体猪小肠验证性能。

【设计胶囊机器人】

半球形流线型设计（直径7mm）通过计算流体力学优化，分为磁驱模块和检测模块。双磁头设计配合外部永磁体实现7自由度控制，多流体腔室确保2秒内完成检测液更新。

【检测模块系统】

丝网印刷制备的柔性pH传感器在PBS缓冲液中展现优异稳定性（最大漂移17.22 mV），集成RISC-V微控制器实现无线传输。40mAh纽扣电池可支持164小时待机，电路温升控制在1°C内。

【低摩擦水凝胶】

荧光显微证实25μm厚涂层的均匀性，摩擦测试显示稳定系数低于0.3。CCK-8实验证明其生物相容性，Caco-2细胞存活率与对照组无显著差异（P>0.05）。

【控制策略】

COMSOL仿真揭示在z_r轴50mm、y_r轴15mm处可获得最大磁力F_mag,yr=12.79mN。活体实验中，机器人以20mm s^?1磁体平移速度实现12.79mm s^?1平均推进速度，较未涂层样品效率提升300%。

【多环境验证】

在胃皱襞模型中，机器人通过"摆动-连续旋转-滚动"组合动作24秒内完成复杂地形穿越；在S型弯曲肠管（R_c=150mm）中，水凝胶涂层使通过率从0%提升至100%。

这项研究开创性地解决了传感胶囊不可控和主动胶囊低效的双重难题。其意义在于：1）临床层面，为胃肠疾病提供无痛、精准的动态监测方案；2）技术层面，建立首个驱动-控制-传感全集成胶囊机器人平台；3）扩展性方面，模块化设计支持未来整合给药、活检等功能。尽管目前尚缺内窥成像模块，但该工作为下一代智能诊疗机器人奠定了关键技术基础，被研究者视为迈向"精准医疗微型化"的重要里程碑。