这篇文章介绍了一种新型生物机器人，可用来定点在体内释放药物。研究论文发表在了Science 最新子刊 Science Robotics 的第二期，介绍性文章发表在 IEEE Spectrum。
当瑞士钟表匠发明 Geneva drive（一种两个齿轮构成的能够产生精准走时的机制）时，他们可能也没有想到未来有一天生物工程师会使用黏糊糊的水凝胶（squishy hydrogel）造出 15 毫米的 Geneva drive。但是现在，这些工程师可不是为了制造什么高精度钟表，而是为了打造一种生物兼容的微型机器，我们可以将这种机器植入身体之中来传递药物。
Geneva drive（来自维基百科）
这种奇怪的新型生物机器人来自哥伦比亚大学生物医学工程教授 Samuel Sia 的实验室。它既没有电池，也不使用电线，但是我们却能在身体之外控制它将药物送达指定位置。Sia 对 IEEE Spectrum 说，这种设备非常适合这个个性化医疗的新时代。他说：「医生希望了解病人的进展状况然后据此修改治疗方案。」他已经在患有骨癌（bone cancer）的小鼠身上对这种装置进行了测试，结果很激动人心，详情可参与他们发表在 Science Robotics 第二期的论文《Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices》。
这些研究者通过逐层构建的方式制造了他们的 Geneva drive，这个过程耗时大约 30 分钟
Sia 的团队首先发明了一种 3D 打印方法，可以让他们制造微型 Geneva drive 和一些其它的柔性材料。他们发明一种制造机，可以通过一层一层的水凝胶（hydrogel）来制造胶态的固体形状。尽管目前还需要人类来将那些零件组合起来，但 Sia 表示这个步骤可以实现自动化。这个过程也很快，一个槽轮机构的整个打印和组装过程只需不到 30 分钟。Sia 说，现在典型的 3D 打印机需要好几个小时才能打印出一个类似的设备，而且绝大多数还不能处理水凝胶这样的柔性材料。
接下来就是像钟表匠一样工作了！当有外部磁铁移动一个简单的齿轮（其本质上只是一个嵌入了铁纳米颗粒的胶件，即视频中黑色弯曲的部分）时，这种黏糊糊的 Geneva drive 会像钟表一样转动。其每一次滴答，其六个腔室中的一个就会和一个洞口对齐，一剂药物就会流出。视频中磁铁（银色盘）保持该设备连续运行是为了演示其机制，在实际医疗应用中，医生只会在需要药物时使用一个磁铁。
你可能会疑问：会不会某人植入的微型机器被怀有恶意的人用磁性激活呢？「带有一块磁铁的路人经过时不会激活它，但也会有一些并不完美的情形，」Sia 说。他的实验室正在研究其它无线驱动这一机制的方式，包括超声波技术。
Sia 说，这一设计中最艰难的是得到正确的材料。必须要是非常灵活柔软的材料，而且要与柔软的内脏兼容。「但是如果你的材料就像果冻一样容易破裂，也很难用它来做机器人。」他说，「它也要足够坚韧，才有希望造就微型植入式机器。」
Geneva drive 部件都打印在柔性水凝胶之中
下一步是在体内进行的。在解剖学与化学并发症的情况下，Sia 的团队想要看看他们的设备是否能够在体内工作。一些有骨癌的小鼠被移植了装载了化疗药品的设备，另一批小鼠接受典型的化疗，也就是让有毒药品流过全身。在两个团队比较两种方式的效果时，发现结果惊人。利用仿生学小鼠的肿瘤增长减缓，更多的肿瘤死去，而身体其他部位的细胞很少受到副作用的伤害。
实验室老鼠中药物传递设备的荧光图像展示
应用临床诊断的可能性似乎很明显，肿瘤学家能够提供更加靶向和集中剂量的强大化疗药物。Sia 还设想了其他用途，如调节激素的释放等。但该药物传递设备也只是概念性证明，他说。他并不急于组建创业公司，「我们需要做成本收益分析，看看它是否真是一个可商业化的设备。」
然而，他很是看好通用的小型软体机器人的医学潜力。柔软的、移动型小机器人某天可成为身体内部的修复团队，从身体里面完成医生的工作。Sia 说他的建造平台能够完成大量的设备，他说，「我非常自信我们能够找到有用的东西。」
Sia 没说他的实验室具体在做什么类型的设备，只是说他们正在查看能够移动的植入式设备。我的猜测是类似于杜鹃钟（cuckoo clock）的软体微型机器。
论文：Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices（水凝胶材料的增材制造，打印下一代可植入医疗设备）
摘要：
可植入微型设备常常由固定组件组成，而没有活动部件，并且其生物相容性有限。这篇论文展示了一种快速制造方法，可以生产具有生物相容性的材料，其最小规模可达数十微米，每层都带有复杂合成纹路。通过充分利用水凝胶独特的力学特点，我们开发了一种「闭锁性机制（locking mechanism）」，用于自由活动组件的启动与运行，实现诸如阀门、集合管（manifolds）、转子（rotors)、泵以及载荷输送等功能。水凝胶部件能够在许多机械性、扩散性材质中转动，而且植入后，无需持续性动力供给就能加以控制。在一个患有骨肉瘤的小鼠案例中，我们证实，设备中的阿霉素在十天中逐渐释放，治疗效果相当高效且毒性低，仅为全身化疗标准剂量的十分之一。总的说来，这一平台，亦即可移植微机电系统（iMEMS) 能够研发出带有许多复杂活动部件、具有生物相容性的可移植微设备，可按需对其进行无线控制，有效解决了设备动力供应和生物相适性的问题。
