華人科學(xué)家提出新控制和性能增強策略 使機器人在流體中能多模態(tài)運動

近日，來自歐洲高校的華人科學(xué)家提出了新的控制和性能增強策略，使得片狀軟體機器人在流體中能自適應(yīng)環(huán)境并實現(xiàn)多模態(tài)運動，包括滾動、波動爬行、波動游泳和螺旋表面爬行。

這項研究發(fā)表在科學(xué)期刊《Science Advances》上，論文標(biāo)題為《充滿流體的密閉空間中的軟體自適應(yīng)多模態(tài)運動策略(Soft-bodied adaptive multimodal locomotion strategies in fluid-filled confined spaces)》。

一、現(xiàn)有的微型機器人不能自適應(yīng)環(huán)境來行進

為了在充滿流動性液體的狹窄空間中順利的移動，軟體機器人必須產(chǎn)生足夠的推力來克服流體的阻力和與邊界的摩擦力。傳統(tǒng)剛性設(shè)計的磁體微型機器人能夠?qū)崿F(xiàn)移動但是缺乏適應(yīng)性環(huán)境的變化，并且在與生物軟組織接觸時可能會有安全問題。

另一種解決方案是將機器人的尺寸縮小到空間橫截面尺寸以下，然后通過利用壁效應(yīng)(wall effects)來最小化流體阻力，可是該方案不利于在細小血管(例如毛細血管)中運動。

最新的一種解決方法是利用柔性軟體材料來構(gòu)建機器人的主體，使其能夠被動的在流體空間中運動，但目前尚未能證明該方案能夠保證主動運動的機動性。

二、華人科學(xué)家為片狀軟體機器人設(shè)計了多種運動模式

微型機器人的運動效率也是科學(xué)家關(guān)注的重點之一，根據(jù)不同的環(huán)境場景，片狀軟體機器人在程序控制下，能夠選擇最佳的運動模式。在遠大于片狀軟體機器人尺寸的空間中，機器人可以通過卷曲成圓形來實現(xiàn)滾動。

在較小的空間中，機器人可以進行基于身體狀態(tài)波動前行，實現(xiàn)爬行或游泳提高運動速度。

在圓柱管的空間內(nèi)，機器人可以實現(xiàn)沿著空間螺旋面爬行，這可以幫助它抵消空間內(nèi)流體的阻力，順利前往目標(biāo)地點。

三、頻率驅(qū)動和體態(tài)控制賦予了片狀軟體機器人高機動性

除去被動的在空間隨流體移動，微型機器人更需要主動移動的能力。當(dāng)機器人以不同的驅(qū)動頻率放置在不同的流體粘度中時，它會受到不同的摩擦力和流體動力。通過改變磁驅(qū)動頻率對機器人體態(tài)起伏和推進方向來提供不同的動能。當(dāng)驅(qū)動頻率為 1 Hz 時，片狀機器人執(zhí)行波動爬行，片狀機器人在驅(qū)動頻率為 10 Hz 時進行波浪式游泳，這為片狀軟體機器人提供了不同的運動方案。

微型機器人在運動過程中會遇到不同的路徑狀態(tài)，及時調(diào)整姿態(tài)可以改變其運動模式。例如當(dāng)微型機器人在充滿液體的圓柱管內(nèi)移動時候，可以將自身姿態(tài)卷曲起來貼近螺旋面。該姿態(tài)的好處是不回阻塞管道，因此流體仍舊能夠通過。再此姿態(tài)下，機器人能夠通過動態(tài)對齊來旋轉(zhuǎn)方向，從而實現(xiàn)逆流體移動。

結(jié)論：片狀軟體機器人有廣闊的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景

人類的身體的內(nèi)部空間充滿了停滯的(例如，粘液)或流動的(例如，血液)生物體液，這對微型機器人的運動是極大的阻礙。

該片狀軟體機器人能夠自適應(yīng)環(huán)境，通過不同運動模式在密閉流體空間中順利移動，為微型機器人在密閉空間運動模式發(fā)展提出了新的思路。

片狀軟體機器人可以在微創(chuàng)下，安全的在狹窄的流體區(qū)域中運動，并且能夠進入到危險的或者難以進入的身體部位，在未來的醫(yī)學(xué)運用中具有巨大的潛力。例如在靶向輸送、細胞移植、內(nèi)窺鏡移動方式和微創(chuàng)手術(shù)中運用此技術(shù)，可以減少患者的生理痛苦，造福更多患者。

關(guān)鍵詞： 華人科學(xué)家 控制 性能增強 策略 機器人