弗吉尼亚理工大学的科学家开发了一种运输生物颗粒的工具

接受手术很少是一次愉快的经历，有时可能非常具有侵入性。 外科手术 进化了 几个世纪以来，他们随着解剖学和生物学知识的不断成长。

创新方法也得到推广 新工具并增长于 自 20 世纪 80 年代以来机器人的使用 他极大地推动了医疗保健的发展。 田振华副教授在推进机器人技术和非侵入声学方面又向前迈进了一步，他的团队的工作已发表在《Science Advances》杂志上。

机器人辅助手术

使用机器人进行的手术自发明以来一直是一种侵入性手术，因为它需要切割，并且通常需要在切口中插入其他器械。 然而，由于机器人辅助器械可以更小，伤口也往往比传统手术更小，这使得机器人成为首选。 这种类型的手术已经证明了它的好处，并且随着时间的推移，它的使用也不断增加，包括它对患者的好处

• 减少不适和出血
• 住院时间更少
• 恢复时间更快

事实上，根据美国外科医生学会的数据，2012 年，1.8% 的手术涉及机器人。到 2018 年，这一比例已上升至 15.1%，并且随着机器人技术的进步，这一比例继续上升。 一些涉及机器人的最常见手术包括阑尾切除术、子宫切除术和胃绕道手术。

无创声音治疗

虽然机器人辅助手术有其自身的优势，但田的团队已经将这一想法超越了目前的状态：团队成员正在开发一种在体内无创地移动小目标（例如细胞和药物）的方法。 这意味着该方法不需要任何缩减。

这个秘密是在声能发射器中发现的，田的团队用它来包围和捕获分子，就像隐形的镊子一样。 发射器产生 3D 声涡场，可以穿过骨骼和组织等屏障，并相互交叉形成小型环形声陷阱。 在声学陷阱中心捕获的小到毫米大小的物体可以移动和旋转。 Tian 因 Audio Vortex 的开发而获得了 2024 年教师早期职业发展 (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，”田说。 “随着我们继续开展这项研究，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流发射器，声涡流束可以在微米尺度上移动。 因此，可以在3D空间中精确地映射粒子捕获区域，并且可以设计捕获后粒子的运动。 当沿着血管的曲折路径移动小物体时，这可能是一个重要的特征。

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，但声涡流束也可以移动气体和液体中的粒子。 尽管当前的方法针对的是这些材料中的小颗粒，但将声能发射器与机器人技术集成的应用范围超出了手术和非常小的颗粒。 非接触式机器人操作在工程、生物学和化学研究的许多其他应用中具有潜力。 其中一些包括

• 控制微型机器人
• 处理敏感的生物颗粒，例如外泌体和细胞
• 运输危险试剂滴
• 控制胶体材料的自组装
• 用于复合材料制造的纳米材料的排列

“当我们最近参加 STEM 博览会时，参观我们的孩子们喜欢将小珠子放在我们的设备产生的看不见的声场中，但我们希望为他们提供移动较大物体的机会，”田说。 “明年，我们希望拥有一个可以携带乒乓球的更大的发射器。看看我们如何将这种方法融入到我们的其他研究中将会很有趣。”

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