【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，機電工程學院謝暉教授團隊在微型仿魚機器人群體協(xié)調(diào)與靶向藥物遞送方面取得重要進展，相關研究成果以《仿魚磁性軟體機器人的群體協(xié)調(diào)：面向高效藥物遞送的定點富集與形狀自適應貼附》(Swarm coordination of fish-like magnetic soft robots: directed aggregation and shape-adaptive attachment toward efficient drug delivery)為題發(fā)表在《國家科學評論》(National Science Review)上。相關成果有助于解決體內(nèi)復雜三維環(huán)境中多發(fā)病灶的高效藥物遞送難題，并為微型機器人群體智能的實現(xiàn)提供新的技術路徑。
 

　　體內(nèi)病變往往呈現(xiàn)多點散發(fā)、立體分布的特征，而單個微型機器人尺寸微小，難以覆蓋病變區(qū)域，限制了藥物遞送的效率。因此，需要通過群體協(xié)作彌合單個機器人與病變區(qū)域范圍之間的鴻溝。自然界中，魚群通過協(xié)同行為適應復雜環(huán)境，為解決這一問題提供了仿生學啟示(圖1)。洄游魚群通過動態(tài)聚散穿越復雜通道，覓食魚群則在特定區(qū)域調(diào)節(jié)形態(tài)以覆蓋目標。然而，要讓機器人在體內(nèi)環(huán)境實現(xiàn)類似的群體協(xié)同行為卻面臨“如何在全局磁場下實現(xiàn)個體差異化控制”“如何調(diào)節(jié)機器人間的距離避免相互粘連”“如何使機器人群體自適應地貼附于不規(guī)則病灶”等諸多挑戰(zhàn)。
 

圖1 靈活的微型仿魚磁性軟機器人集群向病灶聚集并形狀自適應貼附
 

　　針對上述問題，研究團隊提出微型仿魚機器人的群體協(xié)調(diào)方法。研究人員設計了頭尾異質(zhì)結構的微型機器人，通過激光加工實現(xiàn)高通量制備。該研究首次發(fā)現(xiàn)當驅(qū)動頻率接近機器人固有頻率時，振蕩磁場的恒定分量將完全主導游動方向?；诖税l(fā)現(xiàn)，團隊通過編程恒定磁場分量的空間分布實現(xiàn)個體方向的差異化調(diào)控，通過調(diào)節(jié)交變磁場強度避免機器人相互粘連。機器人可實現(xiàn)全自由度運動，游動速度達每秒20體長。機器人群可在體內(nèi)三維環(huán)境中主動聚散，如同洄游魚群；到達病灶后，可利用磁場與界面約束調(diào)節(jié)形態(tài)適應病灶輪廓，如同覓食魚群，實現(xiàn)自適應貼附。
 

　　團隊開展了豐富的體外驗證試驗。如圖2所示，單個機器人可完成三維物體搬運、逆流游動等任務。在胃部病灶模型中(圖3)，機器人群成功實現(xiàn)了向病灶定向聚集、調(diào)節(jié)形態(tài)并穩(wěn)定貼附。團隊還展示了機器人群在超聲成像引導下的運動控制、抗重力運動等能力。
 

圖2 仿魚微機器人個體搬運物體
 

圖3 仿生魚群向病灶聚集并主動調(diào)整形態(tài)貼附
 

　　哈工大機器人技術與系統(tǒng)全國重點實驗室為論文唯一單位。謝暉教授、孟祥和副教授、張?zhí)柛苯淌跒檎撐墓餐ㄓ嵶髡撸┦可㈥?、田陳堯為論文共同第一作者，博士生楊鵬、沈行健為共同作者。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目資助。