也许有一天，一个变形机器人微群可能会集牙刷、漱口水和使用牙线于一身，这项由宾夕法尼亚大学的一个多学科团队开发的技术，有望提供一种新的自动化方法来完成刷牙和使用牙线这类平凡但至关重要的日常任务，对于那些缺乏手动灵巧性来有效清洁牙齿的人来说，这是一个特别有价值的系统。
这些微型机器人的组成部分是具有催化活性和磁性活性的氧化铁纳米颗粒。利用磁场，研究人员可以控制它们的运动和形态，形成刷毛状结构，清除宽阔牙齿表面的牙菌斑，或者形成细长的线，像一段牙线一样在牙齿之间滑动。在这两种情况下，催化反应促使纳米颗粒产生能当场杀死有害口腔细菌的抗菌剂。
在模拟和真实的人类牙齿上使用该系统的实验表明，机器人组件可以符合各种形状，几乎消除了导致龋齿和牙龈疾病的粘性生物膜。宾夕法尼亚大学的研究小组在《ACS Nano》杂志上分享了他们的发现，建立了机器人系统的概念验证。
宾夕法尼亚大学牙科医学院正畸部、社区口腔健康和儿科牙科部门的教授Hyun (Michel) Koo说：“日常口腔护理很麻烦，对很多人来说都是挑战，尤其是那些刷牙困难的人，你必须刷牙，然后用牙线清洁牙齿，然后漱口，这是一个手动的、多步骤的过程。现在最大的创新在于，机器人系统可以用一种无需手动的自动化方式系统来完成这三件事。”
宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的高级研究员 Edward Steager说：“纳米颗粒可以用磁场以令人惊讶的方式进行塑造和控制。我们形成的刷毛可以延伸、清扫，甚至在一个空间内来回转移，就像使用牙线一样。它的工作方式类似于机械臂伸出来清洁表面。通过编程，该系统可以自动完成纳米颗粒的组装和运动控制。”
一张信息图解释了氧化铁纳米颗粒的磁性和催化特性，以及它们组装成刷毛和牙线状的形式
颠覆口腔护理技术
Koo说：“几千年来，牙刷的设计一直保持相对不变。虽然增加了电动马达提高了基本的“棒上的刷毛形式”，但基本概念保持不变。这是一项几十年来从未被颠覆的技术。”
几年前，由 Koo 担任联合主任的创新与精密牙科中心 (CiPD) 的宾夕法尼亚大学研究人员使用这种微型机器人系统采取了重大突破措施。
他们的创新源于一点偶然的发现。宾夕法尼亚大学牙科医学院和宾夕法尼亚大学工程学院的研究小组都对氧化铁纳米颗粒感兴趣，但原因却截然不同。Koo的团队对纳米颗粒的催化活性很感兴趣。它们可以激活过氧化氢，释放自由基，杀死导致蛀牙的细菌，并降解牙菌斑生物膜。与此同时，Steager和他的工程同事，包括Dean Vijay Kumar和CiPD的联合主任Kathleen Stebe教授，正在探索这些纳米颗粒作为磁控微型机器人的基石。
在宾夕法尼亚大学卫生技术学院和美国国立卫生研究院的国家牙科和颅面研究所的支持下，宾夕法尼亚大学的合作者将这两种应用结合到目前的工作中，构建了一个电磁控制微型机器人的平台，使它们能够采用不同的配置，并在现场释放抗菌剂，以有效地治疗和清洁牙齿。
Koo说：“不管你的牙齿是整齐还是不整齐，它都能适应不同的表面。该系统可以调整到口腔的所有角落和裂缝。”
研究人员在一小块牙齿状材料上优化了微型机器人的运动。接下来，他们测试了微型机器人的性能，以适应牙齿表面、牙间表面和牙龈线的复杂地形，使用基于牙科诊所人类牙齿扫描的3d打印牙齿模型。最后，他们在真实的人类牙齿上试验了这种微型机器人，这些牙齿的安装方式模仿了牙齿在口腔中的位置。
研究人员发现，在这些不同的表面上，微型机器人系统可以有效地消除生物膜，清除所有可检测的病原体。氧化铁纳米颗粒已被FDA批准用于其他用途，在动物模型上对鬃毛形成的测试表明，它们不会损害牙龈组织。
事实上，这个系统是完全可编程的，该团队的机器人专家和工程师利用磁场的变化来精确地调整微型机器人的运动，并控制刷毛的刚度和长度。研究人员发现，刷毛的尖端可以制作得足够坚固，以去除生物膜，但又足够柔软，以避免对牙龈造成损伤。
研究人员说，该系统的可定制性可以使其在临床使用时足够温和，但也可以个性化，能够适应患者口腔的独特地形。为了将这项技术应用于临床，宾夕法尼亚大学的研究团队正在继续优化机器人的运动，并考虑通过嘴巴贴合装置提供微型机器人的不同方式，他们渴望看到他们的设备能帮助病人。
Koo说：“我们有这项技术，它与刷牙和用牙线清洁牙齿一样或更有效，但不需要手工灵巧。我们希望看到这能帮助老年人和残疾人，我们相信它将打破目前的模式，并在很大程度上促进口腔保健。”
原文链接：https://phys.org/news/2022-07-shapeshifting-microrobots-floss-teeth.html
