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      北理工團隊給微型機器人上磁,模擬在血管里‘跑酷’,還能操縱微型物體

      2022-05-31

      文章轉自 機器人大講堂

      “如果你能吞下一名外科醫生,那么手術將變得有趣而簡單?!薄聿榈隆べM曼

      這是60年前,物理學諾貝爾獎得主費曼先生的幻想,現在,體內的外科醫生已成為現實——微型機器人。

       

      具有主動轉向能力的遙控微型機器人在醫療應用中具有廣闊的前景。最近,北京理工大學研究人員的一項研究,發表在Cyborg and Bionic Systems 期刊中。

       

      他們提出一種基于磁場驅動的軟體微型機器人,直徑只有200 μm,不僅能憑借出色的控制和轉向能力模擬在血管中跑酷,還能操作微型物體!

       

      ▍給微型機器人上磁,讓它動起來

      讓微型機器人動起來,這是第一步。

      這并不容易,因為在微觀世界里,很多物理定律與在宏觀世界里不一樣,微尺度狹窄空間內的物體由于強大的粘附力作用,很難自由地運動。

      研究人員使用了磁驅動方法,原理如下:

      所有帶磁性的物體在勻強的磁場下,都會受到轉動力,讓它本身磁矩的方向與磁場方向同向。

      為了給機器人上磁,研究人員將釹鐵硼顆粒和柔軟的有機硅PDMS材料結合,制成微型軟體機器人,并在表面覆蓋了一層生物相容性的水凝膠層,這樣不僅克服了微型物體與機器人軟尖端之間的粘附力,還可降低微型機器人與基板之間的摩擦力,另外還可減小對生物目標的傷害。

       

      磁驅動系統由一對垂直電磁鐵組成,微型機器人根據磁場進行轉向和振動移動,由于機器人是軟的,可以靈活彎曲身體,這使其能夠在復雜的分叉環境中靈活轉向。

      ▍不僅能“跑酷”,還玩起了“搬珠子”游戲

      為了測試微型機器人能否在血管里“跑酷”, 研究人員采用 3D 打印工藝制作了一個寬度為 800 μm的微流控通道,測試機器人在分叉管道中的轉向和運動能力。

       

      在整個過程中,利用不同方向的磁場來控制微型機器人的轉向,時變磁場可以讓微型機器人振動起來,從而消除與環境之間的粘附力,同時推動前端,讓機器人向前運動。

      當微型機器人遇到分叉時,研究人員通過控制電磁鐵,產生平行于目標路徑的磁場,使微型機器人的尖端指向該方向。

       

      它還可以操縱微型物體,研究人員設計了一個“搬珠子”游戲,在通道中隨機放置了5個微珠,通道還包含幾個凹槽,微型機器人可以通過磁場控制,穿過層層迷宮將目標珠子入目標凹槽中,該任務僅需數分鐘就可完成。

       

      ▍進一步減小尺寸,提高精度

      在醫學應用里,微型機器人可以作為藥物的載體,在人體內把藥物送到它需要的地方,即“靶向治療”;也可以成為一把“手術刀”,直接進入血管把血栓溶碎,然后帶出來,解決血栓的問題。然而,想讓微型機器人真正應用到體內,還有較長的路要走。

      北京理工大學研究人員開發的這款軟體微型機器人能夠在復雜“迷宮”里自如運動和轉彎,并且操縱微型物體,這證明了該微型機器人具有巨大的血管內操作潛力,未來,研究人員計劃進一步減小微型機器人的尺寸,并提高其控制精度。

      論文鏈接

       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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