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。
参考链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01950
https://penntoday.upenn.edu/news/penn-dental-engineering-shapeshifting-microrobots-can-push-and-floss-teeth
