【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，機(jī)電工程學(xué)院謝暉教授團(tuán)隊(duì)在微型仿魚機(jī)器人群體協(xié)調(diào)與靶向藥物遞送方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《仿魚磁性軟體機(jī)器人的群體協(xié)調(diào)：面向高效藥物遞送的定點(diǎn)富集與形狀自適應(yīng)貼附》(Swarm coordination of fish-like magnetic soft robots: directed aggregation and shape-adaptive attachment toward efficient drug delivery)為題發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(National Science Review)上。相關(guān)成果有助于解決體內(nèi)復(fù)雜三維環(huán)境中多發(fā)病灶的高效藥物遞送難題，并為微型機(jī)器人群體智能的實(shí)現(xiàn)提供新的技術(shù)路徑。
體內(nèi)病變往往呈現(xiàn)多點(diǎn)散發(fā)、立體分布的特征，而單個(gè)微型機(jī)器人尺寸微小，難以覆蓋病變區(qū)域，限制了藥物遞送的效率。因此，需要通過群體協(xié)作彌合單個(gè)機(jī)器人與病變區(qū)域范圍之間的鴻溝。自然界中，魚群通過協(xié)同行為適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，為解決這一問題提供了仿生學(xué)啟示(圖1)。洄游魚群通過動態(tài)聚散穿越復(fù)雜通道，覓食魚群則在特定區(qū)域調(diào)節(jié)形態(tài)以覆蓋目標(biāo)。然而，要讓機(jī)器人在體內(nèi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)類似的群體協(xié)同行為卻面臨“如何在全局磁場下實(shí)現(xiàn)個(gè)體差異化控制”“如何調(diào)節(jié)機(jī)器人間的距離避免相互粘連”“如何使機(jī)器人群體自適應(yīng)地貼附于不規(guī)則病灶”等諸多挑戰(zhàn)。
圖1 靈活的微型仿魚磁性軟機(jī)器人集群向病灶聚集并形狀自適應(yīng)貼附
針對上述問題，研究團(tuán)隊(duì)提出微型仿魚機(jī)器人的群體協(xié)調(diào)方法。研究人員設(shè)計(jì)了頭尾異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人，通過激光加工實(shí)現(xiàn)高通量制備。該研究首次發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動頻率接近機(jī)器人固有頻率時(shí)，振蕩磁場的恒定分量將完全主導(dǎo)游動方向。基于此發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)通過編程恒定磁場分量的空間分布實(shí)現(xiàn)個(gè)體方向的差異化調(diào)控，通過調(diào)節(jié)交變磁場強(qiáng)度避免機(jī)器人相互粘連。機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)全自由度運(yùn)動，游動速度達(dá)每秒20體長。機(jī)器人群可在體內(nèi)三維環(huán)境中主動聚散，如同洄游魚群；到達(dá)病灶后，可利用磁場與界面約束調(diào)節(jié)形態(tài)適應(yīng)病灶輪廓，如同覓食魚群，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)貼附。
團(tuán)隊(duì)開展了豐富的體外驗(yàn)證試驗(yàn)。如圖2所示，單個(gè)機(jī)器人可完成三維物體搬運(yùn)、逆流游動等任務(wù)。在胃部病灶模型中(圖3)，機(jī)器人群成功實(shí)現(xiàn)了向病灶定向聚集、調(diào)節(jié)形態(tài)并穩(wěn)定貼附。團(tuán)隊(duì)還展示了機(jī)器人群在超聲成像引導(dǎo)下的運(yùn)動控制、抗重力運(yùn)動等能力。
圖2 仿魚微機(jī)器人個(gè)體搬運(yùn)物體
圖3 仿生魚群向病灶聚集并主動調(diào)整形態(tài)貼附
哈工大機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文唯一單位。謝暉教授、孟祥和副教授、張?zhí)柛苯淌跒檎撐墓餐ㄓ嵶髡撸┦可㈥枴⑻镪悎驗(yàn)檎撐墓餐谝蛔髡撸┦可鷹铢i、沈行健為共同作者。該研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
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