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

新闻 2022-07-10 梦晨
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还能辅助诊断口腔疾病

万博 发自 凹非寺
非常AI | 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?

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。

参考链接:

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

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

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