机器人在人体内打滑？《科学机器人》刊登新方法助力增强其在潮湿表面的运动

导读

由于人体内流体流动的模式，开发能够在医学环境中有效运动的微机器人的方法是一项具有挑战性的任务。为了克服这一挑战，过去的研究已经提出使用可以在表面上滚动的轮形机器，因为它们的结构允许增强的推进力和更快的平移速度，但研究结果表明这些机器人在平面上移动不良并经常滑动。在《科学机器人》的一项有趣的新研究中，科罗拉多矿业学院和科罗拉多大学丹佛分校的一组研究人员提出了一种新方法，可以帮助增强微型机器人在潮湿表面上的运动。

作者：长安

微型机器人(micro robot)是典型的微机电系统，世界各国已经在微型机器人的研究方面取得了不少成果。微型机器人的体形很小，和蜻蜓或苍蝇一样大，有的甚至更小，小到我们看不见它们。

微型蜘蛛机器人

据报道,这个是英国BAE系统公司在从事的一个项目,正在研究的微机械机器人,可以模仿小型生物体,如蜘蛛、蜜蜂和蜻蜒,进行监视和运送传感器。这种机器人可以通过携带含有发射接收机的无线电"涂料"来控制雷达。微型机器人可以有很多的应用，特别是在生物医学和医疗保健环境中。由于它们的体积小，这些小型机器可以插入人体内，允许医生远程进行检查或操作受疾病影响的区域。

医疗微型机器人

微型机器人要有自动行走(或爬行)的能力，就必须有行走机构。然而，由于人体内部流体的流动方式的原因，开发使微机器人在医学环境中有效运动的方法是一项具有挑战性的任务。为了克服这一挑战，过去的研究提出了使用可在表面上滚动的轮形机器的方法，因为它们的结构可增强推进力并提高平移速度。

但研究发现表明这些机器人在平坦表面上无法很好地移动，并且经常打滑。在《科学机器人》中一项有趣的新研究中，科罗拉多矿业大学和科罗拉多丹佛大学的一组研究人员提出了一种新方法，该方法可以帮助增强微型机器人在潮湿表面上的运动。

“由于小规模流体动力学的基本限制，小型机器很难游泳，这是我们试图通过开发基于车轮并在可用表面上行驶的方法克服的限制，”这个项目的研究人员之一大卫·马尔（DavidMarr）教授说。“这些方法相对有效，但是，由于人体表面潮湿，我们的车轮倾向于以其理论最大值的10％左右滑动和行进。这项工作的目的是开发一种防止车轮滑动的方法，像齿轮一样安装在行驶表面上，实际上可以消除打滑并显著加快平移速度。”

研究人员观察结果

研究人员从道路和车轮背后的数学中汲取了灵感，并将这些计算结果应用于小型轮状机器人，他们发现机器人正在操作的“微路”的地形（即物理特征）发生了特定变化，从而使微轮达到了更高的速度。

研究人员观察到，机器人在微型路上行驶的周期性颠簸可以改善小轮子和附近墙壁之间的牵引力。而在潮湿的平坦表面上，车轮容易打滑。因此，崎岖不平的道路导致了一种运动模式，该运动模式由具有滑动和防滑翻转的旋转组成。这大大提高了车轮的平移速度，使机器人的运动速度比在平坦表面上快了四倍。

“特定形状和尺寸的车轮完全适合特定设计形状的道路，虽然车轮和平坦的道路相匹配，但非圆形的车轮可以使表面与道路上的特定颠簸相匹配。最终的目标是开发出一种能够更好地与体内表面相匹配的车轮，从而在必须迅速进行治疗的疾病中实现更快的治疗 ”马尔教授解释说。例如将方形车轮放在汽车上似乎是一种违反直觉且效率低下的提高其运动性的方法。但是，正如Marr教授所解释的那样，通常很难在微型机器人所操作的表面上进行足够的铺装，因此，在这种情况下，非圆形轮子的设计实际上是有益的。

沿火焰方向在地形表面上的3D磁场下平移二聚体

研究人员观察到方形和菱形微轮在平坦表面上以相似的速度滚动，但在崎岖不平的道路上以非常不同的速度滚动，Marr，Wu及其同事收集的这些发现并且可能具有一些实际的意义。

逆着火焰方向平移钻石和正方形

这种简单的观察可以为微型机器人将在其上进行操作的表面提供战略性设计，从而最终根据其轮子的形状增强其运动能力。这些小型机器在颠簸的表面上实现更快的旋转速度还可以简化它们在人体的特定区域（例如部分阻塞的血管网络）中行驶时的操纵。

相对于火焰方向（底部）在平面（顶部）与地形表面上的菱形和方形μ轮平移比较。

“首先，由于我们已经证明了它们可以以不同的速度滚动，因此我们将利用地形图案化的基底在对称性和尺寸上分离出微米级和纳米级的颗粒。” “然后，分离出的粒子可以用作制造具有有趣的光-质相互作用的光子结构的基础。另一个方向将是制造软质材料的微轮，例如可以包裹药物的液滴。我们的最终目标是在复杂的系统中操纵这些软质轮。血管网络并使用它们来运送药物。”吴教授说。

在平面上的3D磁场下，7聚体和5聚体的平移

目前微型医疗机器人大都尚未进入临床应用阶段,但随着精准医疗的深入推进以及智能制造技术的发展,最近一段时间微型机器人技术不断取得突破,成果不断涌现，从实验室走向临床的路还有多远呢？

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