微机器人在生物医学领域的应用前景广阔，尤其在靶向给药、微创手术等方面具有革命性潜力。然而，实时可视化这些微观尺度的机器人在深层组织中一直是一个关键挑战。现有的成像技术如磁共振成像、计算机断层扫描和X射线无法以实时分辨率监测微米级物体。超声成像虽具备实时能力和深层组织穿透性，但其空间分辨率和信号衰减问题限制了在微机器人可视化中的应用。本研究提出了一种创新方法，通过声学诱导微机器人的结构振荡产生伪多普勒信号，利用彩色血流映射（CFM）超声成像技术，实现了个体微机器人的实时可视化。该方法使用两个不同频率带宽的超声源，同时实现基于气泡的微机器人的定位和激活，成功捕获了直径60至80微米的微机器人，展示了微尺度实时超声成像的潜力。

本研究的重大发现由Cornel Dillinger、Ahilan Rasaiah、Abigail Vogel、Chaimae Bahou、Katia Monastyrskaya、Ali Hashemi Gheinani和Daniel Ahmed*共同完成。论文题为“Real-time color flow mapping of ultrasound microrobots”，于2025年发表在《SCIENCE ADVANCES》期刊上。这项研究为微机器人实时成像提供了新思路，突破了传统超声技术的局限。

重要发现
01核心贡献与实验设计
本研究的核心贡献在于开发了一种基于CFM超声成像的实时可视化技术，专门用于跟踪和成像声学驱动的气泡基微机器人。微机器人通常由聚合物外壳包裹微气泡构成，其尺寸约为73微米，通过声学刺激诱导气泡振荡，产生高频运动信号。这种信号被超声系统捕获为伪多普勒频移，从而在CFM模式下显示为彩色点状图案，实现高对比度成像。实验设计包括使用3D打印技术制备微机器人，并将其置于琼脂基体模或离体小鼠膀胱中，通过线性阵列超声探头（成像频率4.0至16.0 MHz）进行实时观测。与光学成像方法（如倒置显微镜）相比，超声成像能够穿透深层组织（最高达10厘米），并保持实时反馈能力，弥补了光学技术在穿透深度上的不足。

深度组织成像实验展示了该技术在高达10厘米穿透深度下的有效性。在体模中，CFM模式能清晰识别微机器人，而B模式仅显示模糊信号。实时运动成像部分通过自由游动实验证实，微机器人在声学驱动下可执行特征性运动（如球形轨迹），并被超声系统实时捕获。此外，在离体小鼠膀胱模型中，注入微机器人后，CFM信号成功可视化其向膀胱壁的运动，突出了该技术在生理环境中的适用性。

创新与亮点
01突破的成像难题
本研究突破了超声成像在微米尺度分辨率不足的长期难题。传统超声技术因信号衰减和波长远大于微物体尺寸，难以可视化个体微机器人。通过利用气泡基微机器人的声学振荡特性，生成伪多普勒信号，CFM模式将分辨率提升至微观水平，实现了实时跟踪。这解决了磁共振成像实时性差、X射线有辐射风险、以及光学成像穿透浅等问题，为微机器人介入治疗提供了可靠的视觉反馈。

03应用前景
该成像技术不仅限于微机器人跟踪，还可扩展至细胞操纵或组织工程。例如，在声学辅助3D打印中，实时成像能指导细胞组装，提高生物结构构建的精度。结合人工智能信号处理，未来或能实现自动化诊疗，推动个性化医疗发展。总体而言，这项研究将超声成像的临床应用边界扩展到微观世界，为微创医学设立了新标准。

总结与展望
本研究成功开发了一种基于CFM超声成像的实时可视化方法，有效解决了微机器人在深层组织中的跟踪难题。通过声学诱导气泡振荡产生伪多普勒信号，技术在体模和离体模型中验证了其高分辨率、深穿透和实时性优势。未来，工作可进一步优化气泡稳定性，延长成像时长，并探索在活体动物中的长期安全性。随着声学微机器人技术的成熟，这种成像方法有望在靶向治疗、疾病诊断和精准医疗中发挥核心作用，最终推动微创医疗向更安全、高效的方向发展。

DOI:10.1126/sciadv.adt8887.