無纜磁驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器因其可遠(yuǎn)程操控、結(jié)構(gòu)小型化和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在微創(chuàng)診療中展現(xiàn)出廣闊前景，可服務(wù)于靶向藥物輸送、遠(yuǎn)程介入操作和體內(nèi)檢測等應(yīng)用。然而，在該領(lǐng)域中，如何在保證控制方式簡潔可靠的同時(shí)賦予執(zhí)行器多樣化功能，仍是一項(xiàng)亟待突破的關(guān)鍵問題。面對復(fù)雜且高度非結(jié)構(gòu)化的生物環(huán)境，微型機(jī)器人需要根據(jù)任務(wù)需求在不同運(yùn)動(dòng)模式與操作形態(tài)之間靈活切換。
現(xiàn)有磁驅(qū)機(jī)器人通常存在性能取舍問題：剛性磁性執(zhí)行器能夠在簡單磁場作用下實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定、可預(yù)測的運(yùn)動(dòng)，并具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但其固定構(gòu)型限制了多模態(tài)操作能力；軟體磁性執(zhí)行器雖可通過連續(xù)變形獲得復(fù)雜形態(tài)變化，機(jī)械承載能力卻隨之下降，高自由度特性也大幅提升了建模與控制難度。
圍繞上述矛盾，清華大學(xué)深圳國際研究生院先進(jìn)制造領(lǐng)域生物制造工程實(shí)驗(yàn)室彌勝利教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新的鉸接式模塊化設(shè)計(jì)思路，該研究以“Articulated Untethered Magnetic Actuators for Multimodal and Cross-Scale Operations”為題，發(fā)表在國際期刊《Cyborg and Bionic Systems》上。該方法以離散剛性模塊為基本單元，并通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行連接，使系統(tǒng)在保持剛性結(jié)構(gòu)可預(yù)測性和機(jī)械魯棒性的同時(shí)，獲得類似軟體機(jī)器人的可重構(gòu)能力。通過引入有限且可設(shè)計(jì)的自由度，執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)更豐富的姿態(tài)調(diào)節(jié)和任務(wù)相關(guān)形變，從而為多功能磁驅(qū)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了新的解決方案。
該設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要特點(diǎn)是，其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生與模式切換均可在單一均勻磁場下完成。換言之，系統(tǒng)不依賴復(fù)雜空間梯度磁場即可實(shí)現(xiàn)多種操作行為，從而降低了磁場生成與控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，也提升了平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用場景中的可實(shí)現(xiàn)性（圖1）。
圖1. 鉸接式磁性執(zhí)行器的模塊化構(gòu)型與磁場驅(qū)動(dòng)機(jī)制。
在該設(shè)計(jì)框架基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch? S230，精度：2μm ）制備了四類代表性鉸接式磁驅(qū)執(zhí)行器（圖2），包括磁性螳螂（MM）、磁性鵜鶘（MP）、磁性鑷子（MT）和磁性夾子（MC）。
圖2. 鉸接式運(yùn)動(dòng)機(jī)制的分析與建模。
在多模態(tài)與跨尺度操作驗(yàn)證中（圖3），這些執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)爬行、滾動(dòng)等不同運(yùn)動(dòng)方式，并可根據(jù)任務(wù)需求切換模式，完成貨物運(yùn)輸、液體攪拌與目標(biāo)釋放等功能。為評估該機(jī)制的可靠性與可推廣性，研究團(tuán)隊(duì)建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并開展仿真分析，同時(shí)借助無量綱分析驗(yàn)證該設(shè)計(jì)從毫米級(jí)到亞毫米級(jí)尺度應(yīng)用的可行性。
圖3. 磁驅(qū)微鑷的跨尺度功能驗(yàn)證與模塊化裝配展示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系列機(jī)器人具有良好的任務(wù)適應(yīng)能力，可在不同場景中獨(dú)立完成相應(yīng)功能操作。面向復(fù)雜生物環(huán)境，該平臺(tái)在驗(yàn)證過程中表現(xiàn)出較高的靈活性與操作精度（圖4）：一方面，微型機(jī)器人能夠在微尺度、高彎曲度的血管模型中實(shí)現(xiàn)靈活導(dǎo)航；另一方面，在宏觀尺度的離體豬胃模型中，機(jī)器人能夠克服真實(shí)生理結(jié)構(gòu)帶來的障礙，并將目標(biāo)貨物準(zhǔn)確遞送至指定位置。
圖4. 磁驅(qū)螳螂與磁驅(qū)鵜鶘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能演示。
此外，研究還展示了該平臺(tái)的多階段邏輯控制能力。以磁性夾子（MC）為例，研究團(tuán)隊(duì)通過預(yù)設(shè)內(nèi)部磁化分布，使執(zhí)行器在同一均勻外磁場作用下即可依次完成多個(gè)操作階段，并根據(jù)特定狀態(tài)實(shí)現(xiàn)類似邏輯判定的功能響應(yīng)（圖5）。
圖5. 磁性執(zhí)行器在復(fù)雜迷宮模型與離體豬胃環(huán)境中的靶向遞送驗(yàn)證。
總結(jié)：該研究構(gòu)建了一套兼具易控性、可擴(kuò)展性與多功能性的磁性機(jī)器人設(shè)計(jì)框架，為面向復(fù)雜生物環(huán)境的高精度醫(yī)療操作提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。
原文鏈接：https://doi.org/10.34133/cbsystems.0560
