華人科學(xué)家提出新控制和性能增強(qiáng)策略 使機(jī)器人在流體中能多模態(tài)運(yùn)動(dòng)

近日，來(lái)自歐洲高校的華人科學(xué)家提出了新的控制和性能增強(qiáng)策略，使得片狀軟體機(jī)器人在流體中能自適應(yīng)環(huán)境并實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)，包括滾動(dòng)、波動(dòng)爬行、波動(dòng)游泳和螺旋表面爬行。

這項(xiàng)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(yùn)動(dòng)策略(Soft-bodied adaptive multimodal locomotion strategies in fluid-filled confined spaces)》。

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

為了在充滿流動(dòng)性液體的狹窄空間中順利的移動(dòng)，軟體機(jī)器人必須產(chǎn)生足夠的推力來(lái)克服流體的阻力和與邊界的摩擦力。傳統(tǒng)剛性設(shè)計(jì)的磁體微型機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)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(shí)可能會(huì)有安全問(wèn)題。

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

最新的一種解決方法是利用柔性軟體材料來(lái)構(gòu)建機(jī)器人的主體，使其能夠被動(dòng)的在流體空間中運(yùn)動(dòng)，但目前尚未能證明該方案能夠保證主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性。

二、華人科學(xué)家為片狀軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)了多種運(yùn)動(dòng)模式

微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率也是科學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)之一，根據(jù)不同的環(huán)境場(chǎng)景，片狀軟體機(jī)器人在程序控制下，能夠選擇最佳的運(yùn)動(dòng)模式。在遠(yuǎn)大于片狀軟體機(jī)器人尺寸的空間中，機(jī)器人可以通過(guò)卷曲成圓形來(lái)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)。

在較小的空間中，機(jī)器人可以進(jìn)行基于身體狀態(tài)波動(dòng)前行，實(shí)現(xiàn)爬行或游泳提高運(yùn)動(dòng)速度。

在圓柱管的空間內(nèi)，機(jī)器人可以實(shí)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(diǎn)。

三、頻率驅(qū)動(dòng)和體態(tài)控制賦予了片狀軟體機(jī)器人高機(jī)動(dòng)性

除去被動(dòng)的在空間隨流體移動(dòng)，微型機(jī)器人更需要主動(dòng)移動(dòng)的能力。當(dāng)機(jī)器人以不同的驅(qū)動(dòng)頻率放置在不同的流體粘度中時(shí)，它會(huì)受到不同的摩擦力和流體動(dòng)力。通過(guò)改變磁驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)機(jī)器人體態(tài)起伏和推進(jìn)方向來(lái)提供不同的動(dòng)能。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為 1 Hz 時(shí)，片狀機(jī)器人執(zhí)行波動(dòng)爬行，片狀機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)頻率為 10 Hz 時(shí)進(jìn)行波浪式游泳，這為片狀軟體機(jī)器人提供了不同的運(yùn)動(dòng)方案。

微型機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)遇到不同的路徑狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整姿態(tài)可以改變其運(yùn)動(dòng)模式。例如當(dāng)微型機(jī)器人在充滿液體的圓柱管內(nèi)移動(dòng)時(shí)候，可以將自身姿態(tài)卷曲起來(lái)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(guò)。再此姿態(tài)下，機(jī)器人能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)對(duì)齊來(lái)旋轉(zhuǎn)方向，從而實(shí)現(xiàn)逆流體移動(dòng)。

結(jié)論：片狀軟體機(jī)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(dòng)的(例如，血液)生物體液，這對(duì)微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是極大的阻礙。

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

片狀軟體機(jī)器人可以在微創(chuàng)下，安全的在狹窄的流體區(qū)域中運(yùn)動(dòng)，并且能夠進(jìn)入到危險(xiǎn)的或者難以進(jìn)入的身體部位，在未來(lái)的醫(yī)學(xué)運(yùn)用中具有巨大的潛力。例如在靶向輸送、細(xì)胞移植、內(nèi)窺鏡移動(dòng)方式和微創(chuàng)手術(shù)中運(yùn)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(qiáng) 策略 機(jī)器人