磁性软体毫米机器人：复杂环境下的多功能导航者

2024-06-24 17:02:50 112阅读次数

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德国马克斯普朗克智能系统研究所的 Ziyu Ren 和 Metin Sitti团队在Nature Protocols上发表了论文，提出了一种设计、制造和控制具有多模式运动能力的小型磁性软体机器人的方法，以应对不同的地形、狭窄空间和执行各种任务。

微型移动机器人在微创医疗干预方面具有巨大潜力，因为它们能够在难以到达的狭窄空间内运动和操作。由于机载空间有限和系绳引起的不良力，开发了无线远程驱动方法，例如光、声波和磁场。磁场可以安全地穿透包括人体组织在内的各种材料，因此它已成为封闭工作空间（例如人体内部）中广泛使用的机器人驱动方法之一。小型磁性机器人可以采用硬质或软质材料制造。由软材料制成的机器人可以实现大的静态和动态形状变形以及强大的环境和物理适应性，这对于实现多模式运动至关重要，就像生物小型软体生物一样。

磁力和扭矩可用于驱动微型磁性机器人的运动。磁力与磁矩大小和磁场梯度成正比。磁力矩使磁体旋转以使其磁矩与外部磁场的方向对齐。

假设我们可以在软材料上创建空间异质磁化，可以引起材料的复杂变形。机器人可以动态地改变其身体形状，这可用于软体运动。然而，软体运动不仅仅由控制输入决定。相反，由动态变形的软体与环境之间的相互作用引起的力也会影响机器人的变形行为和运动性能。通过巧妙地利用这种机器人与环境的相互作用，可以产生各种运动模式。

磁性软体机器人具有动态形状编程能力，可以在变化的外部磁场下产生多种动态变形。然而，并非每次变形都必然会产生运动模式，因为许多软体变形可能不会导致有效的推进。新运动模式的建立应该使机器人能够应对新的环境空间约束和介质或获得新的功能。因此，任何不符合这些标准的运动变化都不能被合理地归类为新的运动模式。

该程序包括以下关键阶段。

首先是机器人的制造。在这部分中，介绍了制造不同软材料的技术。这些技术基于模具铸造和组装操作。侭管使用 3D 打印技术来制造软材料可以简化工作流程，但由于其在材料选择和可实现形态方面的多功能性，研究人员仍然更喜欢这种工作流程。此外，这种方法可以实现非常高的制造解析度，低至微米级，因为模具可以通过双光子聚合或光刻技术制造。在这一步中，研究人员使用Nanoscribe Photonic Professional GT2 3D微型打印机和10×镜头一起用于在硅晶片上打印微结构的模具，以在软薄膜上创建微结构。

其次是开发磁控系统。详细介绍了针对不同应用場景的电磁线圈系统和圆柱形 Halbach 阵列系统的开发。此外，还介绍了表征磁控系统的方法。

第三是实现多模式运动。详细介绍了在各种工作环境下实现不同运动模式的控制信号。

第四，详细说明了在医学环境下离体实验中使用医学成像技术的方法。

然后，提出了评估机器人运动性能和使用数据驱动方法优化运动性能的策略。

在传统的微创手术中，有线设备通过小切口插入体内并推入深部区域。侭管物理系绳有利于电源、数据通信和功能集成，但它们限制了它们进入人体内某些位置的机会，并给患者带来不适甚至安全风险。例如，远端血管的曲折和脆弱性给微导管进入这些血管带来了相当大的挑战和风险。此外，侭管尿道导管广泛用于诊断和治liao泌尿系统疾病，但它们可能会导致与导管相关的不适或伤害。没有电线的限制，无绳软毫米机器人有更好的机会以微创方式进入人体内难以到达和曲折的部位，并消除电线与组织之间的接触和摩擦造成的不利影响。凭藉其毫米级的体型，它们有望进入各种狭窄区域，例如脑室、大脑导水管、尿道、胆管、咽鼓管和输卵管以及血管系统。

具有软体多模式运动能力的小型磁性机器人可以通过改变运动模式来适应不同的环境空间约束和介质。研究人员开发了四种能够针对不同工作环境进行多模式运动的磁性软毫米机器人。片状机器人可以执行多种运动模式，例如在水中进行水母状游泳、在水面进行波浪状游泳、在水弯月面上攀爬、著陆以便从水中过渡到地面、浸入水中从水面移动到大量的水、在平坦表面上滚动或行走、跳过障碍物、在充满液体的密闭环境中爬行和游泳、在管状结构中螺旋表面爬行以及在 3D 表面上基于翻滚的攀爬。这些运动模式使机器人能够在各种地形中导航，具有良好的环境适应性。受水母启发的 ephyra 机器人可以实现五种以上的游泳模式，以实现不同的游泳速度、效率和流动结构，使其能够执行各种功能，例如节能推进、选择性物体运输、挖洞、流体混合和化学路径生成。受幼年斑马鱼启发的机器人可以改变其身体刚度，以修改身体的波浪状波，以适应不同的推进速度和能量效率。