北理工团队给微型机器人上磁，模拟在血管里‘跑酷’，还能操纵微型物体

Robospeak 机器人大讲堂 2022-08-17

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“如果你能吞下一名外科医生，那么手术将变得有趣而简单。”——理查德·费曼

这是60年前，物理学诺贝尔奖得主费曼先生的幻想，现在，体内的“外科医生”已成为现实——微型机器人。

具有主动转向能力的遥控微型机器人在医疗应用中具有广阔的前景。最近，北京理工大学研究人员的一项研究，发表在Cyborg and Bionic Systems 期刊中。

他们提出一种基于磁场驱动的软体微型机器人，直径只有200 μm，不仅能凭借出色的控制和转向能力模拟在血管中“跑酷”，还能操作微型物体！

▍给微型机器人上磁，让它动起来

让微型机器人动起来，这是第一步。

这并不容易，因为在微观世界里，很多物理定律与在宏观世界里不一样，微尺度狭窄空间内的物体由于强大的粘附力作用，很难自由地运动。

研究人员使用了磁驱动方法，原理如下：

所有带磁性的物体在匀强的磁场下，都会受到转动力，让它本身磁矩的方向与磁场方向同向。

为了给机器人上磁，研究人员将钕铁硼颗粒和柔软的有机硅PDMS材料结合，制成微型软体机器人，并在表面覆盖了一层生物相容性的水凝胶层，这样不仅克服了微型物体与机器人软尖端之间的粘附力，还可降低微型机器人与基板之间的摩擦力，另外还可减小对生物目标的伤害。

磁驱动系统由一对垂直电磁铁组成，微型机器人根据磁场进行转向和振动移动，由于机器人是软的，可以灵活弯曲身体，这使其能够在复杂的分叉环境中灵活转向。

▍不仅能“跑酷”，还玩起了“搬珠子”游戏

为了测试微型机器人能否在血管里“跑酷”， 研究人员采用 3D 打印工艺制作了一个宽度为 800 μm的微流控通道，测试机器人在分叉管道中的转向和运动能力。

在整个过程中，利用不同方向的磁场来控制微型机器人的转向，时变磁场可以让微型机器人振动起来，从而消除与环境之间的粘附力，同时推动前端，让机器人向前运动。

当微型机器人遇到分叉时，研究人员通过控制电磁铁，产生平行于目标路径的磁场，使微型机器人的尖端指向该方向。

它还可以操纵微型物体，研究人员设计了一个“搬珠子”游戏，在通道中随机放置了5个微珠，通道还包含几个凹槽，微型机器人可以通过磁场控制，穿过层层迷宫将目标珠子“搬”入目标凹槽中，该任务仅需数分钟就可完成。

▍进一步减小尺寸，提高精度

在医学应用里，微型机器人可以作为药物的载体，在人体内把药物送到它需要的地方，即“靶向治疗”；也可以成为一把“手术刀”，直接进入血管把血栓溶碎，然后带出来，解决血栓的问题。然而，想让微型机器人真正应用到体内，还有较长的路要走。

北京理工大学研究人员开发的这款软体微型机器人能够在复杂“迷宫”里自如运动和转弯，并且操纵微型物体，这证明了该微型机器人具有巨大的血管内操作潜力，未来，研究人员计划进一步减小微型机器人的尺寸，并提高其控制精度。

论文链接

https://spj.sciencemag.org/journals/cbsystems/2022/9850832/

Citation

Dan Liu, Xiaoming Liu, Zhuo Chen,Zhaofeng Zuo, Xiaoqing Tang, Qiang Huang, Tatsuo Arai, "MagneticallyDriven Soft Continuum Microrobot for Intravascular Operations inMicroscale", Cyborg and Bionic Systems, vol. 2022, Article ID9850832, 8 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9850832

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