作者:尚万峰等 来源:《IEEE机器人汇刊》 发布时间:2023/11/22 10:01:10
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科学家在微型机器人领域获进展

 

近日,中国科学院深圳先进技术研究院深圳先进集成技术研究所智能仿生中心尚万峰课题组,与香港科技大学智能制造中心合作,在微型机器人领域取得了新进展。面对血管等流体环境下微型医疗机器人逆流游动难、控制力不足等挑战,该团队提出了无束缚微型机器人独特软膜胶囊结构及其挂壁旋进的控制策略,为微型磁性机器人在实际血管中的应用提供了新的研究思路和解决方案。相关研究成果以An On-Wall-Rotating Strategy for Effective Upstream Motion of Untethered Millirobot: Principle, Design, and Demonstration为题,发表在《IEEE机器人汇刊》(IEEE Transactions on Robotics)上。

近年来,为了实现微创治疗心血管疾病(CVD)的目标,科学家提出了较多用于血管的磁性无束缚机器人。而由于血液流动性,血管中无绳系且无束缚微型机器人承受着较大阻力,较难在自由状态下保持静止,更难以实现逆流而上的定点给药控制。为了降低无线机器人在血管中所受流体阻力,该团队提出了流线型结构设计和更易于临床应用的贴壁运动策略。如图1所示,该研究结合椭圆弧线和抛物线的设计,使机器人相较于传统结构所受流体阻力减少了约58.5%。贴壁的运动模式使得机器人可在流体阻力较低的管壁处前进,相较于管中央前进的经典方式,流体阻力进一步减少约30.7%。  

图1. 自矢量流线型胶囊机器人设计与优化 

旋转匀强磁场驱动模式受到截止频率限制,无法提供充足的动力实现机器人的高速逆流运动,因而限制了此类磁驱机器人在临床中的进一步应用。建立贴壁旋转磁驱策略,通过旋匀速旋转梯度磁场在流线机器人表面产生的高效磁旋推“拖拽”力克服流体阻力,使机器人在运动过程中受到均匀的动摩擦力,从而可控制无线机器人在管中匀速前进,解决了由于传统梯度磁场驱动机器人时静摩擦力不断变化的扰动,而使机器人运动卡顿、不稳定等问题,达到约143mm/s的相对逆流速度。为了探究新方法的临床潜力,科研人员在猪血管中进行机器人运动能力的测试。该研究将一段130mm的猪腹主动脉与蠕动泵连接,模拟2700mm3/s的血流环境(图2)。机器人成功在26s内通过上述血管,验证了机器人在真实血管中的逆流运动能力,使血管内无线机器人的临床应用成为可能。  

图2. 机器人逆流控制系统及其体外实验验证。(a)胶囊机器人逆流控制系统;(b)控制策略比较:梯度力不足、卡顿不稳定移动、匀速连续移动;(c)机器人逆流匀速通过猪腹主动脉。 

该团队在微操控和微型机器人等领域取得了一系列成果,并提出了通用微尺度下机器人快速制备范式-磁胶喷雾微型外骨骼赋能理论。

研究工作得到国家自然科学基金委员会与香港研究资助局合作项目、深圳市基础研究专项重点项目等的支持。(来源:中国科学院深圳先进技术研究院

相关论文信息:https://doi.org/10.1109/TRO.2023.3249569

 
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