像种荚一样爆开的胶囊

微小的磁性微型机器人有朝一日或许能在消化道中穿行，递送药物、治疗病灶或拍摄图像。但它们首先必须完好无损地抵达目的地——免受胃酸、黏液和胃部搅动的影响——然后在正确的位置被迅速释放。如今的胶囊要么塞满了马达、弹簧和电子元件，留给货物的空间所剩无几；要么依赖“智能”材料，打开需要几分钟到几小时。

杭州浙江大学的Mengfan Zhang、Zike Chen、Rui Xiao、Guoyong Mao及其同事，从一种开花植物身上找到了解决办法。

种荚爆裂的技巧

凤仙花（Impatiens balsamina）的种荚成熟时，轻轻一碰就会爆开：它的果瓣在一瞬间向内卷曲，把种子弹射出去。在近缘物种中，种子射出的速度约为每秒1至4米。其原理是一根被锁住的弹簧：弯曲的果瓣储存着弹性能，周围的组织则充当锁扣。一旦释放锁扣，储存的能量就会完成所有工作。

三个部件

胶囊用三个部件模仿了这一设计：

• 一个柔软的硅胶圆顶，在组装时被里外翻转——这就是弹簧；
• 一个3D打印的塑料底座，是一个直径8毫米、高5毫米的圆柱体，内有一个装机器人的小舱；
• 一圈由明胶、卡拉胶和氧化铁纳米颗粒制成的凝胶——这就是锁扣。

在交变磁场下，纳米颗粒会加热凝胶。凝胶变软并从内部撕裂，圆顶弹回原形，胶囊随之爆开。纯明胶会在30至36 °C之间熔化，太接近体温；加入卡拉胶后，凝胶在37 °C时仍保持坚固，在51.6 °C时才转变为液体。

把弹簧调到恰到好处

难点在于力学。一个翻转的圆顶可能是双稳态的——一旦被按下就保持翻转状态——那样它就永远不会重新弹开。它必须是单稳态的，总能弹回原形。但圆顶如果太硬，又会在触发之前就撕裂凝胶。团队借助计算机模拟，绘制出哪些形状是双稳态、哪些是单稳态的，并发现用来粘接圆顶的颈圈会把它推向双稳态，因此圆顶必须比教科书中的壳体更厚。他们最终的圆顶：高2.6毫米，厚1.5毫米，半跨度为5毫米。用镊子释放时，这样的圆顶会以每秒1.21米的速度弹飞，并在100毫秒内完全脱离。

从打印轨道到猪胃

在完整测试中，一块磁铁沿着一条3D打印的轨道推动闭合的胶囊，约70秒后抵达目标。随后交变磁场将凝胶从约20 °C加热到41 °C。凝胶软化后不到50毫秒，胶囊即打开，机器人以约每秒1.0米的速度被抛出——这是种子速度范围的下限。接着，一块磁铁把它们聚集到选定的位置。这里的“机器人”是一些小块的磁性弹性体。

在一个离体猪胃上，胶囊在组织表面被操控移动时保持闭合，并按指令打开。柔软而黏滑的组织吸收了部分能量：起初的弹射速度降到约每秒0.5米。被释放的机器人仍然可以在表面上被操控移动。如果把胶囊倒过来放置，它会轻柔地打开而不弹射任何东西，由磁铁把机器人吸出——这是一种更温和的模式。

作者列出了尚待解决的问题：没有在活体动物上进行测试；凝胶在胃酸和消化液中的表现未知；还需要一种更坚固、但熔化温度也会更高的凝胶。其中四位作者——Mao、Zhang、Chen和Xiao——已就这种胶囊提交了专利申请。