近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心尚萬(wàn)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)域取得新的進(jìn)展。面向血管等流體環(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)，提出了無(wú)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)際血管中應(yīng)用提供了新研究思路和解決方案。
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)表在機(jī)器人領(lǐng)域TOP期刊IEEE Transactions on Robotics （中科院一區(qū)，影響因子：7.8）。我院客座博士生楊柳為第一作者，先進(jìn)院尚萬(wàn)峰副研究員和香港科技大學(xué)申亞京副研究員為通訊作者。IEEE Transactions on Robotics 是IEEE旗下機(jī)器人與自動(dòng)化協(xié)會(huì)的匯刊，是國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊之一，每年收錄論文僅一百余篇。
心血管疾病 （CVD） 是全球第一大死因，大約 80%的CVD死亡是由心臟病發(fā)作和腦卒中引起的。為了實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)CVD疾病治療的最終目標(biāo)，近年來(lái)科學(xué)家提出了許多用于血管的磁性無(wú)束縛機(jī)器人。但由于血液流動(dòng)性，血管中無(wú)繩系、無(wú)束縛微型機(jī)器人承受著巨大阻力，很難在自由狀態(tài)下保持靜止，更是難于實(shí)現(xiàn)逆流而上的定點(diǎn)給藥控制。為降低無(wú)線機(jī)器人在血管中所受流體阻力，研究團(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，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(wú)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(guò)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(guò)程中受到均勻的動(dòng)摩擦力，從而可控制無(wú)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(wèn)題，達(dá)到約143mm/s的相對(duì)逆流速度。為探究新方法的臨床潛力，研究人員在豬血管中進(jìn)行了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的測(cè)試。通過(guò)將一段130mm的豬腹主動(dòng)脈與蠕動(dòng)泵連接，模擬了2700mm3/s的血流環(huán)境，見(jiàn)圖2。機(jī)器人成功在26s內(nèi)通過(guò)上述血管，充分驗(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(wú)線機(jī)器人的臨床應(yīng)用成為可能。
目前，團(tuán)隊(duì)在微操控和微型機(jī)器人等相關(guān)研究成果，近五年已累計(jì)有2篇文章發(fā)表在IEEE Transactions on Robotics，3篇文章發(fā)表在機(jī)電領(lǐng)域TOP期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics（中科院一區(qū)，影響因子：6.4）；而且團(tuán)隊(duì)還在2020年提出的一種通用微尺度下機(jī)器人快速制備范式-磁膠噴霧微型外骨骼賦能理論，發(fā)表在《科學(xué)》子刊Science Robotics（中科院一區(qū)，影響因子：27）。該系列研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委與香港研究資助局合作項(xiàng)目、國(guó)家自然基金面上、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)等科技項(xiàng)目資助。
圖1 自矢量流線型膠囊機(jī)器人設(shè)計(jì)與優(yōu)化
(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(guò)豬腹主動(dòng)脈
圖2 機(jī)器人逆流控制系統(tǒng)及其體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
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