懒得刷牙？微型机器人自动帮你搞定，还能牙刷牙线随时变换

万博 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

果然，人类科技进步的原动力，就是懒惰。

从洗碗机到扫地机器人，现在连刷牙微型机器人都来了！

你没听错，就是那种可以在你口腔中清理病菌的机器人。

而且这种微型机器人，还具备牙医助手的功能：

不仅能够根据微型机器人构成材料的化学特性，清理导致蛀牙的牙齿生物膜和细菌，还能采集口腔中的病菌，帮助诊断口腔问题。

研究成果一经发表就引起热议，有网友甚至已经开始畅想，以后会不会连牙医都不需要了？

看网名，这位老哥自己应该就是一位牙医，职业危机意识很敏感呀～（手动狗头）

机器人怎么帮你刷牙？

可变形，能除垢，还能为牙医采集诊断资料，是这种刷牙微型机器人的3大功能。

实现这些功能的背后原理，是同时利用了氧化铁纳米颗粒（IONP）的磁场控制和化学特性。

具体来看：

IONP可以通过改变磁场进行形态的变化，相信大家都看过类似这样的视频：

而这一原理，目前已经被广泛运用于医学领域，刷牙微型机器人，也正是以IONP为载体实现的。

首先，为了能对IONP进行可控变形，研究团队设计了一个具有机器人原理的磁场控制平台，能够通过改变磁场，来组装、重新配置和驱动IONP的上层结构。

通过这个控制平台，IONP就可以变成具备一定刚性，类似于鬃毛一样的形态，这些鬃毛可以像牙刷一样，刺穿牙齿表面的生物膜，直达牙垢覆盖面进行清理。

而且，这些“鬃毛”还有一个能力，就是长度、覆盖面积可控，研究团队在对IONP悬浮液进行实验时发现，“鬃毛”长度和覆盖面积取决于3个因素：

• IONP悬浮液浓度，浓度越高长度越长；
• 流体拖拽力的速度，IONP会跟着磁场来回运动，当磁场拖拽速度更快的时候，IONP之间的内聚力被破坏，长度就会变短；
• 磁场强度也是因素之一，“鬃毛”长度与磁场强度之间，存在正相关关系。

在实验的过程中，研究团队通过改变IONP的内聚力和刚性，实现了IONP在复杂表面的运动和清理。

在之后的实验中，研究团队用3D打印复制了一个人类口腔结构，在上述实验的基础上，成功实现了IONP的“牙线”形态，在细菌集结的牙齿缝隙中起到清理作用。

牙刷微型机器人的除垢能力，依靠的是IONP的化学特性。

在此之前，已经有研究表明，IONP具有过氧化物酶样活性，可以催化过氧化氢达到抗菌效果，而IONP也已经被应用于生物膜的处理。

研究团队在一块固定的几何板上，精确引导IONP到需要清理的病菌区，IONP“鬃毛”与生物膜直接接触，同时在靠近病菌区的地方通过催化过氧化氢产生的活性氧，实现了原位杀灭细菌。

为了验证收集诊断资料的能力，研究团队使用了一种白色念珠菌——一种细菌和真菌的病原体——通常存在于牙齿表面的生物膜中。

研究团队在收集了上述阶段的生物膜样品后，发现活性细菌和真菌都存在于IONP的“鬃毛”内。

这也证明IONP在清理过程中，可以将活性的病菌带出并作为牙医诊断口腔问题的证据。

综上所述，以IONP作为载体的刷牙机器人，在理论上可以实现口腔清洁、诊断的能力，但能否真正在人体中工作，还需要证明一件事：

IONP会不会对生物口腔产生损坏。

为此，研究团队专门进行了生物相容性的分析，用IONP对一个体外猪颌模型进行处理。

实验结果发现，“刷牙”10分钟后，猪颌牙龈组织并没有受到损伤，而且IONP也没有显示出细胞毒性。

也就是说，以IONP为载体的概念牙刷微型机器人，理论上可以投入应用。

研究团队目前正在持续优化刷牙微型机器人的运动控制，并考虑开发一种口腔贴合设备，降低刷牙微型机器人的使用门槛。

怎么样，这么厉害的刷牙微型机器人，你就不想来一个？

作者介绍

研究来自宾夕法尼亚大学的口腔医学学院和工程与应用科学学院，成果已经发表在《ACS纳米》杂志上。

通讯作者Edward Steager博士，宾夕法尼亚大学高级研究调查员，博士后研究员。研究领域涉及自动化与机器人，微型机器人机电一体化等等。

共同通讯作者Hyun Koo博士，宾夕法尼亚大学牙科医学院教授，主要研究领域包括生物外基质、生物膜内微环境、以及EPS的产生和嵌入基质病原体之间的关系。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01950

https://penntoday.upenn.edu/news/penn-dental-engineering-shapeshifting-microrobots-can-brush-and-floss-teeth