一种能够穿越管状结构的无线流量驱动微型机器人

一种能够穿越管状结构的无线流量驱动微型机器人

具备毫米级无线导航能力的机器人，能够穿越流体流动的管状结构，在核工业、工业及医疗领域的检测、维护和维修中具有广阔应用前景。然而，传统依赖外部供电的局限性制约了这类机器人的工作范围和适用环境。采用机载供电的替代方案往往需要在体积、功能和续航时间之间做出权衡。我们研发的毫米级无线轮式机器人，通过利用环境流体实现动力驱动，突破复杂管道中的长距离移动难题。其流体动力模块可将流体能量转化为机械能，驱动叶轮达到每分钟9595转的高速运转，输出功率密度达11.7瓦/立方米，效率高达33.7%。微型齿轮箱模块能将转换后的机械能传递至驱动系统，使机器人在逆流状态下仍能以平均1.05米/秒的速度前进。根据不同的控制设计方案，可通过外部磁场或机载机械调节器切换机器人运动状态（逆流/顺流/暂停）。此外，我们还设计了基于剪纸艺术的柔性轮装置，实现自适应运动能力。该机器人可灵活应对复杂几何结构和多种材质管道中不同流体的流动。该机器人完全依靠流体动力驱动，可运输直径达管道直径55%的圆柱形载荷，并能携带多种设备：用于管道检测的内窥镜摄像头、用于环境温度监测的无线温度传感器，以及用于基础设施维护的防漏壳体。

文章创新亮点：

研究主要创新点

1.颠覆性的动力来源：环境流体驱动

1.传统限制： 毫米级机器人通常依赖机载电池（体积大、续航弱）或外部电源（活动范围受限）。

2.本方案突破： 彻底摆脱传统电源束缚，创新性地利用环境流体流动直接获取能量，赋予机器人近乎无限的续航能力，使其能够深入传统机器人无法触及的封闭或危险管道。

2.高效的流体动力模块：能量转换的佼佼者

1.技术核心： 研发了高效流体动能转化为机械能的模块。

2.性能卓越： 该模块驱动叶轮可达每分钟9595转的高速运转，输出功率密度高达11.7 W/m³，且能量转换效率达到33.7%，充分证明了其作为机器人动力核心的强大与高效。

3.卓越的机动与负载性能：逆流而上，负重前行

1.运动能力： 机器人能在逆流环境中以平均1.05米/秒的速度稳定行进，展现了出色的驱动力。

2.实用功能： 可运输直径达管道直径55%的圆柱形物体，并搭载内窥镜摄像头、无线温度传感器、防漏壳体等多样化设备，使其从单一移动平台升级为多功能作业工具。

4.灵活的控制策略：满足复杂任务需求

1.控制方式： 提供两种控制方案：

1.外部磁场控制： 实现远程、无接触的精准操控。

2.机载机械调节器： 实现自主状态切换。

2.运动模式： 可根据任务需求，在逆流、顺流、暂停等多种模式间灵活切换，智能化水平高。

5.基于剪纸艺术的柔性轮设计：自适应复杂环境

1.结构创新： 借鉴剪纸艺术理念，设计出柔性轮装置。

2.功能优势： 使机器人能够自适应复杂的管道形状、不同材质的管壁以及多种流体条件，显著提升了其在真实场景中的适应性和通过能力。

6.开创无源机器人复杂作业新模式

1.系统集成： 将高效驱动、智能控制、自适应结构及多功能负载整合于一个完全无源（无需电池）的毫米级系统中。

2.应用前景： 该研究突破了微型机器人领域的核心难题，为在核工业、工业管网及医疗管道等特殊环境下实现长距离、无源的检测、监测与维护提供了全新的技术路径。

总结

本研究的最大创新在于实现了“无源”与“高性能”的完美结合。通过巧妙利用环境能量，使毫米级机器人同时具备了强劲动力、灵活机动性、智能控制及实用作业能力，为微型机器人在受限环境下的长期、自主工作开辟了全新的技术方向。}}

研究背景

无线微型机器人：应用现状、动力挑战与突破方案

无线微型机器人在受限管状环境里有着巨大的应用潜力，特别是在那些充满流动流体或气体的场景中，例如先进设备的冷却或供油管道、人体动脉、支气管等。它们能够执行测量、清洁、载荷运输等多种任务。

这类机器人凭借紧凑的尺寸以及能够穿越有线机器人或连续体机器人难以抵达的狭窄空间的能力，有望革新关键基础设施的检测维护、环境监测以及医疗手术的方式。然而，目前适用于无线微型机器人的“体外”和“体内”动力驱动方案，限制了其可执行的任务类型以及可适配的环境范围。

体外动力驱动方案：优势与局限并存

体外动力驱动在无线微型机器人领域应用广泛。其核心优势在于能够节省机身内部空间，使得机器人尺寸可小至10μm。常见的驱动方式有磁场、光、声波、温度等，这些方式都能驱动机器人在管状结构内实现导航。

“体外供能驱动机器人”在编程与控制方面灵活性极高，它们可以通过游动、行走、滚动、爬行甚至攀爬等多种方式在管道内移动。不过，该方案依赖外部设备提供动力和驱动，导致机器人只能在外部能量可传输的区域工作，适用环境受到限制。具体来说，磁场或射频（RF）驱动不适用于铁磁性管道；光驱动在不透明管道中效果不佳；声波驱动在对声波传输性差的气流环境中不适用；当驱动机器人穿越长距离迂曲管道时，要么需要庞大配件覆盖整个管道，要么让外部配件随机器人移动，操作难度大，甚至无法实现。

体内动力驱动方案：现状与不足

搭载“体内动力驱动单元”的无线微型机器人，目前尺寸已能达到厘米级。早期的典型设计包括由刚性电池或结构电池供能的无线移动机器人，其中结构电池的承载部件同时充当电源。但由于体内电池的限制，这类厘米级机器人难以缩小至毫米级。

以化学燃料为动力的微型机器人，可通过表面反应产生推进力，在血管内导航并递送载荷。然而，这类机器人的“移动或功能模块”通常会消耗大部分体内能源，导致工作时长受限。这是因为化学燃料或电池的容量有限，所以仅能执行短期任务，需要频繁充电或补充燃料。

管道检测机器人：动力难题与本研究方案

动力驱动机制一直是管道检测机器人领域的核心挑战。尽管已经提出了多种动力驱动方案，但要实现支持检测任务中长距离、长时间导航的可持续动力机制，仍然十分困难，尤其是针对直径毫米级的小型管道。

现有管道检测机器人的局限主要体现在以下几个方面：

1.有线驱动受限：多数依赖有线电缆或流体管供能驱动，无法用于长距离管道检测，且不适用于输送石油、天然气等流体的管道。

2.电池驱动不足：少数搭载体内电池的管道机器人可自主导航，但工作范围受电池容量限制，需要频繁充电，且目前尺寸仍局限于厘米级以上，难以进一步微型化。

3.管道检测清管器（PIG）缺陷：工业中常用的PIG与“可主动控制运动的管道检测机器人”不同，通常依赖管道内流体或气体的压力被动推进，无法主动控制运动以执行复杂检测任务（尤其在需要双向导航的场景），仅适配直管道或类直管道，且移动时存在刮擦管壁的风险。

鉴于此，我们提出设想：为无线管状毫米机器人配备“可自主控制的动力驱动单元”，通过可控方式主动利用流动能量，有望使其在管状结构中实现现有机器人难以企及的长距离导航和长时间常规任务执行。

本研究成果：流动供能无线毫米级轮式机器人

本研究提出了一种无线毫米级轮式机器人，它能够利用环境流动能量在复杂管状结构中导航（图1A）。其核心设计与性能如下：

1.流动能量转换模块：直径最大为3mm，可将流动能量转化为机械能，适配多种流动介质，使机器人能在不同粘度的气体与液体流中导航。

2.微型高减速比齿轮箱：减速比高达2018，可将转化的机械能传输至机器人移动系统，并放大叶轮输入扭矩，实现高效推进。

3.自适应剪纸结构车轮：基于剪纸（kirigami）设计，使机器人能适配多种管状结构，包括变径管道、S形/U形/螺旋形管道及复杂三维管道。

4.磁控方向切换：机身集成磁性闸门，可通过外部磁场切换叶轮旋转方向，进而改变机器人运动状态（顺流移动、逆流移动、暂停）。

5.多功能拓展：即使搭载不同尺寸载荷，机器人仍能稳定移动，因此可集成多种功能模块，实现视觉检测、无线温度测量、管道泄漏修复等功能。

该机器人能够满足受限管状环境（充满流动气体或液体）中长距离导航与长时间任务执行的应用需求。

研究流程

双输出微型齿轮箱设计

齿轮箱由齿轮、轴、板和套筒组成（图S1），用14个齿轮实现扭矩放大和双输出端转换，参数见表S1。齿轮1与叶轮相连接收扭矩，齿轮6与轴相连输出运动，齿轮2与齿轮1齿数相同使传动链同速反向输出，齿轮3至5为双联齿轮可在轴上滑动，套筒限制齿轮轴向移动。传动链减速比达2018，可为机器人提供充足扭矩，避免反向驱动。齿轮箱两侧密封，提升传动效率并隔绝污染物。

机器人制备

流动供能模块核心部件制备

叶轮与外壳：用双光子聚合技术，以负性光刻胶（IP-Q，Nanoscribe GmbH）为原料制备（图2C）。

磁控闸门：分三步，将未固化聚二甲基硅氧烷（PDMS）与钕铁硼磁性颗粒按质量比1:4混合，压平成0.3mm厚薄膜，90℃固化2小时后切割成闸门形状，在1.8T均匀磁场中磁化。

微型齿轮箱制备

齿轮与板：通过模具浇铸制备，以负性光刻胶（IP-S，Nanoscribe GmbH）为原料制备零件特征阳模，硅烷化处理后浇铸未固化PDMS，真空脱气后90℃固化2小时，取出并硅烷化处理得阴模，再浇铸未固化环氧树脂，真空脱气后处理，23℃固化12小时，再80℃热固化3小时后取出零件。

套筒：用双光子聚合技术，以IP-S光刻胶为原料制备。

轴：不同直径的轴分别由黄铜棒和针灸针制成。

其他部件制备与组装

剪纸结构车轮：以PDMS为原料，通过模具浇铸制备。

车轮支架：采用双光子聚合技术，以IP-Q光刻胶为原料制备。

机器人组装：在体视显微镜下进行，外壳与齿轮箱、叶轮与轴等多数部件间用氰基丙烯酸酯粘合剂（Loctite 495），齿轮与输出轴间用二甲基丙烯酸酯粘合剂（Loctite 601）。

流动供能模块仿真

用有限元法（FEM）仿真，评估不同叶轮在湍流中的能量转换性能。

仿真工具与模型设置：用COMSOL Multiphysics 6.0，基于“旋转机械-湍流”界面估算叶轮角速度，假设入口流遵循雷诺平均纳维-斯托克斯（k-ε）模型，忽略机器人本体对流动的影响。

模型简化：因叶轮相对管道直径小且位于中心，简化为二维模型，以“管道内叶轮中层的横截面”为研究对象。

载荷与参数设置：向叶轮施加顺时针规定扭矩，流体域设为水，用Yeoh方法进行网格变形平滑。

求解条件：求解时长0.1s，时间步长0.0005s，前0.025s内使入口流量和负载扭矩平滑升至最大值，用重网格工具确保计算完成。

通过仿真研究叶轮设计参数、流量和负载扭矩对性能的影响，以“稳态下一个周期内叶轮平均转速ni”评估叶轮性能。给出叶轮输出功率（Pout）、外壳入口流动功率（Pinflow）、外壳出口流动功率（Poutflow）计算公式，能量转换效率（η）为“平均输出功率”与“通过外壳的平均流动功率”之比。

流动供能模块表征

实验装置：将叶轮外壳安装在直玻璃管内（图S3A），用隔膜液压泵产生可控管道流量，通过流量传感器校准，用高速相机拍摄叶轮运动。

可控负载扭矩施加：在叶轮轴上安装“带轴向磁化圆盘磁铁的摩擦盘”，另一圆盘永磁体安装在两自由度线性平移台上，通过调整平移台使两磁铁同轴并控制间距，调节施加在摩擦盘上的磁梯度力（Fg），进而控制叶轮负载扭矩（Tload）。

材料与参数测定：摩擦盘与平板用环氧树脂模具浇铸，测得摩擦系数μd=0.11±0.01，圆盘磁铁通过模具浇铸制备，VSM测得磁化强度300kA/m，通过COMSOL静磁场仿真研究不同间距下两磁铁间的磁梯度力Fg。

剪纸结构车轮仿真

用ABAQUS/Standard有限元软件，对剪纸结构车轮受压滚动时的力学性能进行数值研究。

模型简化：将三维静态接触模型简化为“刚性平板垂直压缩柔性车轮后水平平移”。

材料与网格设置：车轮设为非线性超弹性材料，考虑几何非线性，PDMS的超弹性本构模型及材料参数由单轴拉伸试验应力-应变曲线确定，车轮与平板采用线性杂交六面体单元划分网格，全局单元尺寸0.02mm。

接触设置：车轮与平板间采用罚函数法表面-表面接触，摩擦系数0.2，法向硬接触，车轮内表面采用无摩擦自接触算法。

边界条件：平板约束为刚体，车轮质心处参考点与车轮内表面进行运动耦合，向平板施加压缩位移Δy和位移Δx，释放车轮绕z轴旋转自由度。

分析步骤：分四步，第一步建立平稳接触，第二步增加Δy至目标值，第三步增加Δx至车轮周长，静态分析采用全牛顿算法进行隐式时间积分。

给出车轮旋转一周内法向力（Fn）的稳定性系数（ηwheel）计算公式。

机器人管道内受力分析

无滑移运动时，流体拖曳力（Fflow）与两个主动轮的牵引力（Ft）平衡，被动轮贡献可忽略。假设直管道内主动轮变形对称，则Ft=0.5Fflow。为防止主动轮与管壁滑移，每个主动轮的最大静摩擦力需大于Ft。μw受车轮/管壁材料及周围流体介质影响，水下环境中，PDMS与多种材料间的μw>0.7。恒定机器人形状、管道直径及流体特性下，Fflow随流速（vflow）增大而增大，Fflow过大会增加滑移风险，Fn取决于剪纸车轮的材料、结构参数及车轮压缩量Δy。用COMSOL Multiphysics 6.0仿真分析机器人所受Fflow。

剪纸结构车轮表征

用定制装置表征车轮滚动时的压缩力学性能（图S6）。

装置搭建：车轮安装在3D打印支架上，支架与两个测力计连接，用于测量法向力与切向力，测力计固定在垂直直线电机台上，载玻片固定在水平直线电机台上。

测试流程：包括加载和拖动步骤，垂直直线电机带动车轮垂直移动加载至载玻片上，水平直线电机带动载玻片水平移动使车轮旋转一周，加载与拖动速度均设为50μm/s，每个测试重复5次。

结果解析

一种无线微型流量驱动管状机器人，可在复杂管状环境中自由导航

流量驱动模块的模拟与性能表征

自适应管状运动用剪纸活性轮的设计与仿真

对不同流动特性管道中自适应运动的分析与演示

通过外部磁刺激调节机器人的运动状态

演示运载有效载荷的潜力，以满足各种潜在应用

研究结论

流动供能无线毫米级轮式机器人的性能与应用前景

本研究研发出无线毫米级轮式机器人，可利用流动能量在复杂管状结构中导航，实现能量自主供给。其核心是直径3mm的流动供能模块（由叶轮、外壳与闸门组成），能将环境流动能量高效转化为机械能，在负载扭矩0.262μN·m、平均水流速度1.0m/s时，叶轮转速9595rpm，输出功率0.263mW，功率密度达11.69μW/mm³，与磁驱动方式相当。

双输出微型齿轮箱将叶轮“高速低扭矩运动”转化为对称高功率车轮运动；基于剪纸结构的车轮设计，使机器人能自适应导航内径10.4 - 11.4mm、中心线曲率半径最小25mm的管道，可穿越不同直径、形状（S形、U形等）、材质（硅橡胶、铜等）的管道。

流动供能模块适配不同流动特性，能在多种流动介质和流速下导航，逆流移动性能优于其他无线微型管状机器人，逆流平均速度最高1.05m/s（对应流量5.44l/min）。通过外壳入口磁性闸门，可用外部磁场切换机器人运动状态。此外，机器人承载能力强，可集成多种功能载荷，实现管道内窥镜视觉检测等任务。

技术拓展价值与未来改进方向

流动供能模块与微型齿轮箱组合，为“流场中工作的微型机器人”提供通用驱动方案。但目前模块主要针对水流环境优化，针对特定场景（如飞机发动机冷却剂等），需结合流动介质特性优化参数。

该流动供能方法可与其他功能模块集成，实现液体采样、药物递送等多种任务。配备微型发电机，有望实现发电，为机器人自身及相关电子设备供电，拓展应用领域。

该机器人需进一步研究优化：

1.高流速/低摩擦管道适应性：机器人靠车轮摩擦力提供锚定力，可通过优化机身流线型设计或增加车轮表面微结构，确保在高流速或低摩擦表面管道中稳定运动。

2.远程运动状态切换：当前受外部磁场工作距离限制，未来可搭载微型电池等组件，实现长距离遥控，有望延长工作时长并缩小尺寸。

技术来源：10.1126/scirobotics.adi5155