【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院深圳先進集成技術(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，在微型機器人領(lǐng)域取得了新進展。面對血管等流體環(huán)境下微型醫(yī)療機器人逆流游動難、控制力不足等挑戰(zhàn)，該團隊提出了無束縛微型機器人獨特軟膜膠囊結(jié)構(gòu)及其掛壁旋進的控制策略，為微型磁性機器人在實際血管中的應(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機器人匯刊》(IEEE Transactions on Robotics)上。
 

　　近年來，為了實現(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器人。而由于血液流動性，血管中無繩系且無束縛微型機器人承受著較大阻力，較難在自由狀態(tài)下保持靜止，更難以實現(xiàn)逆流而上的定點給藥控制。為了降低無線機器人在血管中所受流體阻力，該團隊提出了流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計和更易于臨床應(yīng)用的貼壁運動策略。如圖1所示，該研究結(jié)合橢圓弧線和拋物線的設(shè)計，使機器人相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所受流體阻力減少了約58.5%。貼壁的運動模式使得機器人可在流體阻力較低的管壁處前進，相較于管中央前進的經(jīng)典方式，流體阻力進一步減少約30.7%。
 

　　旋轉(zhuǎn)勻強磁場驅(qū)動模式受到截止頻率限制，無法提供充足的動力實現(xiàn)機器人的高速逆流運動，因而限制了此類磁驅(qū)機器人在臨床中的進一步應(yīng)用。建立貼壁旋轉(zhuǎn)磁驅(qū)策略，通過旋勻速旋轉(zhuǎn)梯度磁場在流線機器人表面產(chǎn)生的高效磁旋推“拖拽”力克服流體阻力，使機器人在運動過程中受到均勻的動摩擦力，從而可控制無線機器人在管中勻速前進，解決了由于傳統(tǒng)梯度磁場驅(qū)動機器人時靜摩擦力不斷變化的擾動，而使機器人運動卡頓、不穩(wěn)定等問題，達到約143mm/s的相對逆流速度。為了探究新方法的臨床潛力，科研人員在豬血管中進行機器人運動能力的測試。該研究將一段130mm的豬腹主動脈與蠕動泵連接，模擬2700mm3/s的血流環(huán)境(圖2)。機器人成功在26s內(nèi)通過上述血管，驗證了機器人在真實血管中的逆流運動能力，使血管內(nèi)無線機器人的臨床應(yīng)用成為可能。
 

　　該團隊在微操控和微型機器人等領(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。
 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會與香港研究資助局合作項目、深圳市基礎(chǔ)研究專項重點項目等的支持。
 

圖1. 自矢量流線型膠囊機器人設(shè)計與優(yōu)化
 

　　圖2. 機器人逆流控制系統(tǒng)及其體外實驗驗證。(a)膠囊機器人逆流控制系統(tǒng)；(b)控制策略比較：梯度力不足、卡頓不穩(wěn)定移動、勻速連續(xù)移動；(c)機器人逆流勻速通過豬腹主動脈。