深圳先進(jìn)院等在微型機(jī)器人領(lǐng)域獲進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院深圳先進(jìn)集成技術(shù)研究所智能仿生中心尚萬峰課題組，與香港科技大學(xué)智能制造中心合作，在微型機(jī)器人領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。面對(duì)血管等流體環(huán)境下微型醫(yī)療機(jī)器人逆流游動(dòng)難、控制力不足等挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)提出了無束縛微型機(jī)器人獨(dú)特軟膜膠囊結(jié)構(gòu)及其掛壁旋進(jìn)的控制策略，為微型磁性機(jī)器人在實(shí)際血管中的應(yīng)用提供了新的研究思路和解決方案。相關(guān)研究成果以An On-Wall-Rotating Strategy for Effective Upstream Motion of Untethered Millirobot: Principle, Design, and Demonstration為題，發(fā)表在《IEEE機(jī)器人匯刊》(IEEE Transactions on Robotics)上。
 

　　近年來，為了實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)治療心血管疾病(CVD)的目標(biāo)，科學(xué)家提出了較多用于血管的磁性無束縛機(jī)器人。而由于血液流動(dòng)性，血管中無繩系且無束縛微型機(jī)器人承受著較大阻力，較難在自由狀態(tài)下保持靜止，更難以實(shí)現(xiàn)逆流而上的定點(diǎn)給藥控制。為了降低無線機(jī)器人在血管中所受流體阻力，該團(tuán)隊(duì)提出了流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和更易于臨床應(yīng)用的貼壁運(yùn)動(dòng)策略。如圖1所示，該研究結(jié)合橢圓弧線和拋物線的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所受流體阻力減少了約58.5%。貼壁的運(yùn)動(dòng)模式使得機(jī)器人可在流體阻力較低的管壁處前進(jìn)，相較于管中央前進(jìn)的經(jīng)典方式，流體阻力進(jìn)一步減少約30.7%。
 

　　旋轉(zhuǎn)勻強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式受到截止頻率限制，無法提供充足的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高速逆流運(yùn)動(dòng)，因而限制了此類磁驅(qū)機(jī)器人在臨床中的進(jìn)一步應(yīng)用。建立貼壁旋轉(zhuǎn)磁驅(qū)策略，通過旋勻速旋轉(zhuǎn)梯度磁場(chǎng)在流線機(jī)器人表面產(chǎn)生的高效磁旋推“拖拽”力克服流體阻力，使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中受到均勻的動(dòng)摩擦力，從而可控制無線機(jī)器人在管中勻速前進(jìn)，解決了由于傳統(tǒng)梯度磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人時(shí)靜摩擦力不斷變化的擾動(dòng)，而使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)卡頓、不穩(wěn)定等問題，達(dá)到約143mm/s的相對(duì)逆流速度。為了探究新方法的臨床潛力，科研人員在豬血管中進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的測(cè)試。該研究將一段130mm的豬腹主動(dòng)脈與蠕動(dòng)泵連接，模擬2700mm3/s的血流環(huán)境(圖2)。機(jī)器人成功在26s內(nèi)通過上述血管，驗(yàn)證了機(jī)器人在真實(shí)血管中的逆流運(yùn)動(dòng)能力，使血管內(nèi)無線機(jī)器人的臨床應(yīng)用成為可能。
 

　　該團(tuán)隊(duì)在微操控和微型機(jī)器人等領(lǐng)域取得了一系列成果，并提出了通用微尺度下機(jī)器人快速制備范式-磁膠噴霧微型外骨骼賦能理論。
 

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與香港研究資助局合作項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。
 

圖1. 自矢量流線型膠囊機(jī)器人設(shè)計(jì)與優(yōu)化
 

　　圖2. 機(jī)器人逆流控制系統(tǒng)及其體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(a)膠囊機(jī)器人逆流控制系統(tǒng)；(b)控制策略比較：梯度力不足、卡頓不穩(wěn)定移動(dòng)、勻速連續(xù)移動(dòng)；(c)機(jī)器人逆流勻速通過豬腹主動(dòng)脈。