深圳加快研究磁驅(qū)動(dòng)軟體薄膜微型機(jī)器人 助力外科手術(shù)的發(fā)展

近日，機(jī)器人與智能系統(tǒng)領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議——IEEE智能機(jī)器人與系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議（International Conference on Intelligent Robots and Systems，IROS）在中國(guó)澳門舉行。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文“Visual servoing of miniature magneTIc film swimming robots for 3D arbitrary path following”，從2494篇投稿的文章中，經(jīng)過(guò)文章和報(bào)告兩次評(píng)選，獲得最佳應(yīng)用論文獎(jiǎng)（IROS ICROS Best ApplicaTIon Paper Award）。副研究員徐天添和研究員吳新宇為論文共同通訊作者，徐天添課題組碩士研究生黃晨陽(yáng)為論文第一作者，論文其余兩位作者為吳新宇的博士生劉佳、Laliphat Manamanchaiyaporn。這是中國(guó)大陸地區(qū)近十年來(lái)第一次獲得IROS的最佳論文獎(jiǎng)項(xiàng)。

由外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的不受束縛的軟體微型機(jī)器人因其軟而靈活的身體結(jié)構(gòu)，在微裝配、微創(chuàng)診斷、靶向送藥等方面都有著巨大的應(yīng)用前景。論文報(bào)道了一種以硅膠為基質(zhì)的帶磁性顆粒的軟體薄膜微型機(jī)器人，可以在外界旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下自動(dòng)形成螺旋形狀，并在粘性液體中游動(dòng)。與剛性機(jī)器人相比，軟體薄膜機(jī)器人可與周圍環(huán)境發(fā)生柔性接觸，在未來(lái)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，可以避免給組織器官造成損傷。磁驅(qū)動(dòng)軟體薄膜微型機(jī)器人在靶向給藥，例如針對(duì)消化道內(nèi)的腫瘤的靶向給藥方面有非常大的應(yīng)用潛力。

論文提出了一種基于向量場(chǎng)的路徑跟隨控制算法并實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人3D任意路徑的跟隨控制。三維路徑由關(guān)鍵點(diǎn)序列表示，相鄰點(diǎn)之間連接成的線段作為路徑子段。三維路徑跟隨控制任務(wù)可以看作是多個(gè)子段任務(wù)的組合，是一個(gè)迭代的過(guò)程?；谠摽刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)的交互系統(tǒng)中，用戶可以通過(guò)3D繪圖鼠標(biāo)繪制任意曲率的3D參考路徑。在整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，外環(huán)控制器為路徑跟隨控制器，通過(guò)向量場(chǎng)的方法計(jì)算出下一時(shí)刻機(jī)器人的理想前進(jìn)方向。內(nèi)環(huán)控制器為轉(zhuǎn)向控制器，針對(duì)參數(shù)不確定運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)的控制算法計(jì)算下一時(shí)刻驅(qū)動(dòng)線圈的驅(qū)動(dòng)角向量?；诨盀V波和最小二乘設(shè)計(jì)的3D雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)定位和估計(jì)機(jī)器人前進(jìn)方向。該方法在未來(lái)的微型機(jī)器人遠(yuǎn)程外科手術(shù)中具有非常重要的意義，外科手術(shù)醫(yī)生可以很方便地遠(yuǎn)程繪制路徑，從而讓微型機(jī)器人自動(dòng)完成路徑跟隨任務(wù)。