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Soft Robots in Medicine: Material and Structural Designs for Organ-Specific Applications
Ziheng Chen#, Shiqi Yang#, Junhui Law*, Xingzhou Du*, Yu Sun*
第一作者：陈子衡、杨诗琪
通讯作者：刘俊辉、杜星洲、孙钰
通讯单位：大连理工大学、多伦多大学
全文链接：https://www.oaepublish.com/articles/ss.2025.97
导读
随着微创医疗需求不断提升，医生在狭窄、脆弱的体内环境中实现精准、安全操作仍面临巨大挑战。磁性软体机器人因柔软、可控、可微型化等优势，被视为未来介入医疗的重要突破方向。本研究系统梳理磁性软机器人从材料到结构的最新进展，介绍其如何针对胃肠道、泌尿生殖系统与血管等不同器官实现定制化设计，并评估其生物安全性与临床潜力。研究还指出材料长期稳定性与智能控制等关键难题，为下一代智能医疗机器人提供了发展方向。
图片摘要
图文导读
磁性软机器人结合远程磁驱动与柔软材料特性，能够在胃肠道、血管、尿道等复杂而脆弱的体内结构中实现安全导航与精准操作。其关键在于材料与结构的协同设计，以适应不同器官在pH、流体环境与机械特性上的差异。本研究首次从“器官中心”的视角系统梳理磁性软机器人的材料选择、磁化编程策略与临床应用路径，并比较了磁性水凝胶、硅基磁弹性体、磁流体及磁响应复合材料的力学性能和生物稳定性，阐明其在不同器官中的匹配优势，如表1所示。
表1. 磁性软材料分类
消化道由胃、小肠和结肠等区域构成，是一个几何形态各异、持续运动且化学成分复杂的动态系统。肠腔直径从胃部的数厘米到远端小肠的一厘米多不等，蠕动与节段性收缩会不断改变管腔形态；同时，局部pH值从胃的强酸环境到肠道的酶与微生物富集环境差异显著。这些区域特异性的生理条件对磁性软体机器人的材料稳定性、结构顺应性与运动可靠性提出了严格要求。为确保安全导航并避免损伤黏膜，相关系统多采用具备pH稳定性与柔顺性的材料，如弹性体与水凝胶。通过依据不同肠段的力学与化学特征调整材料参数与结构布局，磁性软机器人能够实现特定位点的药物递送、诊断取样与局部治疗，从而提升安全性与治疗精准度(图1)。
图1. 胃肠道应用的磁性软体机器人
泌尿生殖系统承担着储尿排尿、配子运输、受精与分娩等关键生理功能，其内部结构多为狭窄而弯曲的管腔，如直径仅数毫米的输尿管与输卵管。这些通道不仅具备推动液体流动的节律性收缩，还具有较高的壁面顺应性，可在压力变化下产生显著形变。与此同时，丰富的血管与神经分布使黏膜对机械刺激高度敏感，对外界干预反应强烈。在此背景下，小型磁性软体机器人因其柔软顺应性与可变形特性，能够在受限空间中安全导航而展现出独特优势。依托无线磁驱动，这类机器人可实现精确的运动控制与功能操作，包括靶向给药、组织取样以及生物膜破坏，为微创介入提供了新的技术路径(图2)。
图2. 用于泌尿和生殖系统应用的小型磁性软体机器人
血管系统由动脉、静脉和毛细血管构成，呈现出从大型弹性动脉到直径不足1毫米的毛细血管的多尺度结构，其在直径、曲率、分支形态与血管壁弹性方面均具有显著差异。这些解剖与力学特征使血管介入治疗充满挑战。动脉粥样硬化、血栓形成、动脉瘤与缺血性卒中等血管疾病仍是主要致病因素，而传统导管介入和全身药物治疗虽在部分场景有效，却常受远端通路受限、血管穿孔风险、手术创伤大以及脱靶效应与出血风险增加等限制。基于此需求，磁性软体机器人作为新型微创工具展现出显著潜力。其柔顺结构与远程磁驱动使其能够抵达传统导管难以到达的血管区域，并执行局部治疗任务，如靶向药物递送、血栓清除与可控栓塞，为精准血管介入提供新的技术路径(图3)。
图3. 用于血管系统临床应用的小型磁性软体机器人
总结与展望
未来磁性软体机器人的发展将围绕材料、智能化、多功能集成与临床转化四个方向持续推进。首先，高生物相容性与可控稳定性的磁响应材料仍是核心，个性化生物混合材料与先进表面工程有望在提升安全性的同时增强组织滞留、实现可预测降解或安全回收。其次，实现体内智能操作需要嵌入式软传感器、柔性电子与学习驱动控制策略的进一步融合，以支持在复杂、生动态环境中的闭环导航和精准治疗。第三，微型化、多功能平台的发展将依赖多材料打印、自组装与微制造技术，使驱动、感知与药物递送得以在亚毫米尺度内高度整合。最后，清晰的临床转化路径至关重要，包括材料筛选、动物模型验证、成像兼容性评估以及伦理与监管体系的完善。随着这些关键方向不断成熟，磁性软体机器人有望成为推动微创精准医疗的重要技术力量。
基金支持
该工作得到了国家自然科学基金：52505004和62588301以及中央高校基本科研业务费专项资金：DUT24RC(3)118和DUT25RC(3)040的支持。
引用信息
Chen, Z.; Yang, S.; Law, J.; Du, X.; Sun, Y. Magnetic soft robots in medicine: material and structural designs for organ-specific applications. Soft Sci. 2026, 6, 3. https://dx.doi.org/10.20517/ss.2025.97
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