近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所智能仿生中心尚万峰课题组，与香港科技大学智能制造中心合作在微型机器人领域取得新的进展。面向血管等流体环境下微型医疗机器人逆流游动难、控制力不足等挑战，提出了无束缚微型机器人独特软膜胶囊结构及其挂壁旋进的控制策略，为微型磁性机器人在实际血管中应用提供了新研究思路和解决方案。
研究成果以An On-Wall-Rotating Strategy for Effective Upstream Motion of Untethered Millirobot: Principle, Design, and Demonstration为题，发表在机器人领域TOP期刊IEEE Transactions on Robotics （中科院一区，影响因子：7.8）。我院客座博士生杨柳为第一作者，先进院尚万峰副研究员和香港科技大学申亚京副研究员为通讯作者。IEEE Transactions on Robotics 是IEEE旗下机器人与自动化协会的汇刊，是国际机器人领域顶级期刊之一，每年收录论文仅一百余篇。
心血管疾病 （CVD） 是全球第一大死因，大约 80%的CVD死亡是由心脏病发作和脑卒中引起的。为了实现微创CVD疾病治疗的最终目标，近年来科学家提出了许多用于血管的磁性无束缚机器人。但由于血液流动性，血管中无绳系、无束缚微型机器人承受着巨大阻力，很难在自由状态下保持静止，更是难于实现逆流而上的定点给药控制。为降低无线机器人在血管中所受流体阻力，研究团队提出了流线型结构设计和更易于临床应用的贴壁运动策略。如图1所示，结合椭圆弧线和抛物线的设计使机器人相较于传统结构所受流体阻力减少了约58.5%。贴壁的运动模式使得机器人可在流体阻力较低的管壁处前进，相较于管中央前进的经典方式，流体阻力进一步减少约30.7%。
旋转匀强磁场驱动模式受到截止频率限制，无法提供充足的动力实现机器人的高速逆流运动，因而限制了此类磁驱机器人在临床中的进一步应用。建立贴壁旋转磁驱策略，通过旋匀速旋转梯度磁场在流线机器人表面产生的高效磁旋推“拖拽”力克服流体阻力，使机器人在运动过程中受到均匀的动摩擦力，从而可控制无线机器人在管中匀速前进，解决了由于传统梯度磁场驱动机器人时静摩擦力不断变化的扰动，而使机器人运动卡顿、不稳定等问题，达到约143mm/s的相对逆流速度。为探究新方法的临床潜力，研究人员在猪血管中进行了机器人运动能力的测试。通过将一段130mm的猪腹主动脉与蠕动泵连接，模拟了2700mm3/s的血流环境，见图2。机器人成功在26s内通过上述血管，充分验证了机器人在真实血管中的逆流运动能力，使血管内无线机器人的临床应用成为可能。
目前，团队在微操控和微型机器人等相关研究成果，近五年已累计有2篇文章发表在IEEE Transactions on Robotics，3篇文章发表在机电领域TOP期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics（中科院一区，影响因子：6.4）；而且团队还在2020年提出的一种通用微尺度下机器人快速制备范式-磁胶喷雾微型外骨骼赋能理论，发表在《科学》子刊Science Robotics（中科院一区，影响因子：27）。该系列研究工作得到了国家自然科学基金委与香港研究资助局合作项目、国家自然基金面上、深圳市基础研究重点等科技项目资助。
图1 自矢量流线型胶囊机器人设计与优化
(a) 胶囊机器人逆流控制系统 (b) 控制策略比较：梯度力不足、卡顿不稳定移动、匀速连续移动 (c) 机器人逆流匀速通过猪腹主动脉
图2 机器人逆流控制系统及其体外实验验证
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