【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學院深圳先進技術研究院深圳先進集成技術研究所智能仿生中心尚萬峰課題組，與香港科技大學智能制造中心合作，在微型機器人領域取得了新進展。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構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用提供了新的研究思路和解決方案。相關研究成果以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，科學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構設計和更易于臨床應用的貼壁運動策略。如圖1所示，該研究結合橢圓弧線和拋物線的設計，使機器人相較于傳統(tǒng)結構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%。
旋轉勻強磁場驅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機器人在臨床中的進一步應用。建立貼壁旋轉磁驅策略，通過旋勻速旋轉梯度磁場在流線機器人表面產生的高效磁旋推“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，使血管內無線機器人的臨床應用成為可能。
該團隊在微操控和微型機器人等領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基金委員會與香港研究資助局合作項目、深圳市基礎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。
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