如何利用磁场驱动某个微型机器人

该论文介绍了一种新技术,即使大量机器人采用同样材质制作,还位于同一磁场影响下,我们依然可以利用磁场选择性的驱动某个微型机器人,甚至精确到它们身上的某个组件。

控制机器人在人体内的运动一般要靠两种方法:要么打造一种自带推进器和导航系统的微型潜水艇机器人,要么就得靠磁场来牵着微型机器人的鼻子走。不过,前者做起来很复杂,后者虽然较易实现,但一块大磁铁如果冬天放在身上一定很酸爽,最重要的是,这种方法很难一次控制多个微型机器人,为什么呢?因为顾名思义,“磁场”是一种“场”,它的效力很难被限定在某一特定区域。

在实际运用中,如果你想用一台核磁共振(MRI)扫描仪来创造磁场,那么无论这个磁场的梯度如何,MRI 触及范围的所有东西都会受到影响,因此如果你想让两个微型机器人同时做不同的事,几乎是天方夜谭。

当然,事情都不是绝对的,要想让微型机器人们学会“左右互搏”术,可以从差异化这个角度入手。这样一来,持续的控制输入就来对机器人造成不同的影响。不过,想让这种方法在同质化机器人身上起效就难得多了。

天无绝人之路,德国汉堡飞利浦研究院在 Science Robotics 上的论文就为我们指了条明路。该论文介绍了一种新技术,即使大量机器人采用同样材质制作,还位于同一磁场影响下,我们依然可以利用磁场选择性的驱动某个微型机器人,甚至精确到它们身上的某个组件。

是不是很酷?那么这样神奇的控制能力到底是如何实现的呢?且听我细细道来。

设备内部的整体磁场开了一个洞,也就是所谓的“自由场点”(FFP),多个磁场都会在这里碰面(每个磁场都由独立线圈生成)。在 FFP 中,磁场的梯度很低,因此也就丧失了驱动物体移动的能力,而这就是对微型机器人进行单独控制的关键切入点。

你可以在需要的区域,通过调大磁场梯度来“锁”住不在 FFP 控制范围内的任何物体。随后,借助温和的旋转磁场,就能让 FFP 内的物体旋转起来。通过对 FFP 位置的移动,你就能选择性的让某些物体自由旋转起来。

在这一案例中,那个强大的“锁”其实是在磁场下作用向一边倾斜的螺旋体,它们无法旋转。与其不同的是,FFP 是一个零倾斜的区域,这就意味着在这里螺旋体可以自由旋转。这项研究中用到的硬件可以单独驱动螺旋体,只要螺旋体间间距不超过 3 毫米就有效。

从磁场生成器的示意图(上图左)中我们能看到 3 套直角线圈,在 Z 轴方向有一个铁质内核。磁场生成器(上图中)上有一个直径 12 厘米的钻孔。在 XY 面(上图右)的理想磁场中心有一个磁场零点,也就是我们上面所说的 FFP,图中白色的箭头则代表局部磁场向量。

为了能让该技术能尽快投入实际使用,研究人员还想了大量应用方法:

第一种应用是基于不同螺旋体驱动机制的。在整形外科中,该技术可在移植过程中起到巨大作用,因为它可以随着恢复过程改变移植物的形状。举例来说,在肢体延长和早发性脊柱侧凸等病症的治疗上,该技术能为医生提供更高的灵活性(控制假体形状的变化)。此外,该技术还能用在微粒体的控制中,只需打造微型磁泵和阀门,无需电力或机械连接,即可单独对其进行驱动。

第二种应用与负责局部治疗的简单微型机器有关,如遥控一个可以释放药物的磁性微型胶囊。此外,它还可以用在遥控用开关控制的放射性种子上,实现对开关的精确控制后,药物释放的区域和剂量都能得到最好的优化,不会误伤“友军”。

如果用上带有凹槽的螺旋盾,就能让定向种子拥有远程调节辐射方向的能力,这能让医生精确控制用药剂量并保护健康组织。此外,磁力操纵精确度可达纳米级,通过导管,携带药物的种子可以直达病灶,完成药物释放后它们就能从血管中排出。通过设备对其进行影像定位后,只有那些真正进入病灶部位的种子才会被激活。

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2018-07-15

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