近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院集成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)域取得新的進展。面向血管等流體環(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)，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，先進院尚萬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旗下機器人與自動化協(xié)會的匯刊，是國際機器人領(lǐng)域頂級期刊之一，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。為了實現(xiàn)微創(chuàng)CVD疾病治療的最終目標，近年來科學(xué)家提出了許多用于血管的磁性無束縛機器人。但由于血液流動性，血管中無繩系、無束縛微型機器人承受著巨大阻力，很難在自由狀態(tài)下保持靜止，更是難于實現(xiàn)逆流而上的定點給藥控制。為降低無線機器人在血管中所受流體阻力，研究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，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。為探究新方法的臨床潛力，研究人員在豬血管中進行了機器人運動能力的測試。通過將一段130mm的豬腹主動脈與蠕動泵連接，模擬了2700mm3/s的血流環(huán)境，見圖2。機器人成功在26s內(nèi)通過上述血管，充分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。
目前，團隊在微操控和微型機器人等相關(guān)研究成果，近五年已累計有2篇文章發(fā)表在IEEE Transactions on Robotics，3篇文章發(fā)表在機電領(lǐng)域TOP期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics（中科院一區(qū)，影響因子：6.4）；而且團隊還在2020年提出的一種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，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家自然科學(xué)基金委與香港研究資助局合作項目、國家自然基金面上、深圳市基礎(chǔ)研究重點等科技項目資助。
圖1 自矢量流線型膠囊機器人設(shè)計與優(yōu)化
(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
圖2 機器人逆流控制系統(tǒng)及其體外實驗驗證
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