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基于建筑师的灵感斯坦福中国科学家设计两栖多模态运动“极简”机器人利用磁控与几何形变实现可控药物释放

yabovip777com | 7月 18th-2022 | No Comments
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作者巧妙地集合了 Kresling 折纸的几何特征来实现运动、折叠特性用于医疗功能、磁材料保证远程控制。对材料和结构的充分挖掘,使复杂的功能集成于微型机器人成为可能。 对于斯坦福大学机械系教授赵芮可团队研发的微型两栖折纸机器人,审稿人给予高度评价。

机器人的截面直径只有 7.8 毫米,在远程磁场控制下,该机器人能同时实现水路两栖的多模态运动、可控的液体药物释放和固体药物运送。

赵芮可表示,该机器人打破了折纸机器人仅利用折叠实现变形或运动的思维局限,充分挖掘了折纸的结构特征,实现了陆地翻滚运动和水下类螺旋桨推进。

在应用上,折纸的可折叠特性可被用于实现液体药物的可控释放。此外,该机器人特殊的折痕和开孔设计,提供了一种新颖的负压吮吸功能,以便用于固体药物的吸取和操控。

审稿人评价称: 赵和她的团队的论文展示了使用磁性材料和折纸来设计毫米大小的创新机器人的惊人工作。基于磁性材料的软机器人和折纸机器人都是重点研究的领域。然而,大多数基于磁性材料的软体机器人采用非常简单的形式,大多数折纸机器人使用折叠来改变形状以进行变形或运动,(这仅能)让机器人具有相对简单的功能。

为了实现更复杂的功能,大多数研究使用线性加法方法,即如果需要导航,则添加传感器,如果需要形变,则添加折纸机制等。这通常会导致具有许多单功能单元的庞大系统。在这篇论文中,作者巧妙地使用了 Kresling 折纸的几何形状进行运动,折纸可用于折叠功能,磁性材料可用于遥控功能。这种材料和结构的紧密集成,使他们制造出非常小的机器人,但却能执行非常复杂的功能。

斯坦福大学在其官网报道中提到: 如果你曾吞过同一个圆形药片,希望能治愈从胃痉挛到头痛的一切疾病,那么你已经知道药物并不总是旨在治疗精确的痛点。尽管几十年来非处方药已经治愈了许多疾病,但生物医学研究人员直到最近才开始探索在治疗更复杂的疾病(如心血管疾病或癌症)时,(尝试)对靶向药物的输送方法做出改善 [ 2 ] 。

事实上这也是该工作的研究背景之一,无线微型折纸机器人可以在狭窄空间穿梭,并通过改变折纸结构的形状,来实现一些特定的医疗操作例如定向送药、疾病检测等,这两种手段也是未来人体内医疗的潜在解决方案。

然而,现有的微型机器人通常需要独立的结构设计,才可分别实现运动功能和其他额外功能,这增加了机器人结构设计和控制的复杂程度。

另外,这些机器人依赖于单一的运动模式、环境适应性差,并且无法同时实现水陆两栖运动。在复杂的人体环境内,例如肠胃系统、泌尿系统等同时具有器官壁和体液的空间,机器人的运动将受到极大限制。

基于此,该团队开展了本次研究,前后大约经历两年时间。2020 年初,课题组率先提出将磁驱动应用于 Kresling 折纸结构,并进行了一系列深入研究:从研究磁驱动的基本原理、分布式驱动设计,到仿章鱼臂的柔性机械臂,再到类蠕虫的爬行机器人。但是,这些研究主要集中于基本变形原理、以及陆地上运动的探索。

一个偶然的机会,课题组在开会时讨论到,是否能用同样的折纸结构实现水下的游泳?随后,赵芮可和团队发现,Kresling 折纸单元的侧边具有类似螺旋桨叶片的结构,且沿圆周均匀分布,自此便开始了游泳机器人的摸索。

因此,该团队将机器人尺寸目标,设定为小于常见胶囊的尺寸。接着,他们研究了机器人无法在开放水域可靠推进的原因,结果发现机器人的密度对其游泳性能影响极大,当机器人密度远大于水时,它产生的推进力无法克服重力带来的影响,从而造成失稳。

因此将机器人的密度调节到与水的密度相近,并增加机器人旋转的速度提高推进力,即可防止运动状态的失控。同时,他们还系统研究了 Kresling 折纸结构的几何尺寸对游泳性能的影响,最终实现了可在三维水域空间、进行高速灵活运动的微型机器人。

进一步地,课题组通过施加旋转磁场,实现了机器人在陆地的滚动或翻转。此外,他们发现,由于 Kresling 结构的特殊性,机器人可根据外界环境特征自动调整运动模式,从而实现自适应翻滚。

而由于磁场驱动的特性,无须知道机器人的初始朝向如何,仅需要根据想要的运动方向,去施加对应的旋转磁场,即可实现朝着指定方向的运动,这说明机器人具有极强的鲁棒性和环境适应能力。

因此,赵芮可和团队将机器人内外部分别设计为亲水和疏水,当器人进入水域,水将迅速充满机器人内部,从而保证机器人的密度的恒定,进而获得可靠的游泳性能。

在研究的尾声,该团队考虑将医疗功能集成于一体。作为折纸结构,其本质的折叠功能并没有被利用,因此他们提出基于 Kresling 折纸结构收缩变形的泵送原理,通过在折纸结构内部设计储药结构和放药结构,并通过磁场控制下的变形进行周期性触发,实现了可控药物释放,并进行了离体的动物器官实验。

在制作机器人的过程中,课题组在一开始 偷了个懒 :让 Kresling 折纸结构的一端使用了旧的、原本是用于其他项目的薄片进行封装,并因此留下了一个开孔。

刚开始大家都没有在意这个孔的影响,毕竟机器人运行也非常稳定。一直到准备论文时,他们将孔移除时才发现,机器人的速度显著下降。

同时,该负压还可用于物体的吸取,实现集成的固体药物运送功能,这进一步扩展了机器人的多功能性。

赵芮可表示,研究期间遇到各种难题和意外,很多问题都超出了课题组成员的知识范畴,这督促她和团队不断寻求跨学科的合作交流。在此,她特别感谢斯坦福医学院的合作者们。

基于本次研究,课题组的长远目标是实现人体内的医疗应用,例如在血管内的一些医疗操作。为实现该目标,赵芮可计划从几个方面着手去拓展研究:

其一,基于类螺旋桨推进的游泳运动原理,通过流体力学仿真分析辅助,对机器人结构进行优化,以获得更加优秀的游泳性能、尤其是提升运动速度,以期实现逆血流的自由运动;

其二,计划通过先进的加工制备技术,进一步缩小机器人的尺寸,使其适宜包括血管在内的更多的医疗环境;

其三,打算构建出离体的血管模型,并通以血流或具有相似特性的液体,来模拟实际的应用场景,对机器人的实际应用进行评估实验。

据介绍,赵芮可从小成长在西安。2012 年,其毕业于西安交通大学机械工程系。本科毕业后,她留学美国布朗大学,主要从事计算力学以及软材料的稳定性研究。在麻省理工学院(MIT)做博士后研究期间,她开始磁性软材料的研究。2018 年,赵芮可入职美国俄亥俄州立大学机械与航天工程系任职,后于 2021 年加入斯坦福大学机械工程系。

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