實(shí)驗(yàn)名稱：磁場激勵下對狹窄非結(jié)構(gòu)化液體環(huán)境的卓越環(huán)境適應(yīng)性和出色的3D可控性驗(yàn)證

　　研究方向：在臨床實(shí)踐中，天然孔口通常為醫(yī)療器械提供對各種靶組織的侵入性通路。這些體腔/腔（例如泌尿和消化系統(tǒng)）通常充滿液體，并促進(jìn)物質(zhì)在體內(nèi)或體內(nèi)與體外之間的運(yùn)輸。與傳統(tǒng)的開放或介入手術(shù)相比，生物相容性磁驅(qū)動微型軟體機(jī)器人可以運(yùn)輸各種治療藥物，并以非侵入性方式安全地穿越自然孔口，以執(zhí)行醫(yī)療任務(wù)，例如靶向藥物輸送和組織診斷。然而，在如此狹窄、充滿液體的環(huán)境中安全、可靠和高效地執(zhí)行醫(yī)療任務(wù)對機(jī)器人的運(yùn)動性能提出了嚴(yán)格的要求。

　　Carangiform魚可以在復(fù)雜的自然水域中高速敏捷地游泳。通過模擬它們的生物形態(tài)和運(yùn)動學(xué)特征，研究者設(shè)計(jì)了一種不受束縛的carangiform狀磁性milliswimmer，能夠在體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的狹窄流體環(huán)境中進(jìn)行敏捷的3D抗重力導(dǎo)航。這種毫游泳者產(chǎn)生的身體曲率分布與魚非常相似，使用磁扭矩來驅(qū)動其身體，并模仿魚通過肌肉收縮產(chǎn)生扭矩的原理。這種仿生設(shè)計(jì)為milliswimter提供了類似carangiform的游泳行為和出色的游泳性能。它配備了強(qiáng)大的推力，使其能夠在不依賴輔助浮力結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行3D抗重力的水下自由游泳，并在狹窄、彎曲和可變直徑的管道環(huán)境中平穩(wěn)地向上游游泳。此外，這種設(shè)計(jì)為milliswimter提供了高游泳速度和出色的等效運(yùn)動性能，U高達(dá)20BLs?1，類似于fish的ηU83.49BL毫克?1兆噸?1s?1），這比以前報(bào)告的值高出六倍多。此外，這種設(shè)計(jì)賦予了milliswimmer出色的巡航機(jī)動性，使其能夠輕松避開障礙物（具體來說，milliswimmer具有最小的巡航轉(zhuǎn)彎半徑r把0.05BL和最大巡航轉(zhuǎn)彎速度ω把高達(dá)4737度?1當(dāng)外部驅(qū)動磁場強(qiáng)度保持不變時）。重要的是，這種milliswimter具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。由于其高度自由度，它可以靈活地調(diào)整游泳泳姿，以適應(yīng)充滿液體、非結(jié)構(gòu)化、狹窄的環(huán)境。像大多數(shù)魚一樣，它的負(fù)浮力使它能夠適應(yīng)密度高于水的各種液體環(huán)境。在操縱桿控制和自動視覺導(dǎo)航下，milliswimmer表現(xiàn)出出色的可控性，可以在指定位置懸停并在克服重力的同時導(dǎo)航任意3D軌跡。最后，通過結(jié)合常見的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，展示了milliswimmer在離體豬泌尿系統(tǒng)中的潛在臨床應(yīng)用。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>通過精確控制磁場的強(qiáng)度和方向，是否可以實(shí)現(xiàn)對液體在三維空間中的精確控制，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做論證和鋪墊。

　　測試設(shè)備：ATA-6223功率放大器、CCD、數(shù)據(jù)采集卡、PC、磁力計(jì)、磁性產(chǎn)生裝置、微型注射泵

　　實(shí)驗(yàn)過程：為了模仿魚類的運(yùn)動學(xué)特征，milliswimmer被驅(qū)動在水中產(chǎn)生強(qiáng)大的網(wǎng)推力，使其能夠在重力和外部阻力下在三個維度上自由游動。主要是因?yàn)樗墓ぷ骺臻g更大，適合離體實(shí)驗(yàn)和其他需要這種容量的實(shí)驗(yàn)。然而，較大工作空間系統(tǒng)的高電感需要使用諧振電路來產(chǎn)生足夠的高頻驅(qū)動電流。用磁力計(jì)（CH-3600）校準(zhǔn)系統(tǒng)產(chǎn)生的靜態(tài)和動態(tài)磁場。該系統(tǒng)主要由一個磁性產(chǎn)生裝置、三個功率放大器（ATA-6223）、一個數(shù)據(jù)采集卡、一臺PC、三個電荷耦合器件，（CCD）攝像頭和三個鏡頭組成。磁系統(tǒng)可以在空間中產(chǎn)生任何方向的磁場。為了監(jiān)測毫秒游泳者游泳時產(chǎn)生的流場，采用了PIV技術(shù)。中性浮力聚酰胺種子粒子均勻分散在實(shí)驗(yàn)水環(huán)境中，用532nm激光照射。使用高速CCD攝像機(jī)從側(cè)面或頂部記錄粒子的運(yùn)動，并使用openpiv157對粒子圖像進(jìn)行分析。使用微型注射泵向彎曲的玻璃管提供流體輸入，通過控制噴射泵的水平推進(jìn)速度，可以調(diào)節(jié)彎曲玻璃管入口處的平均流體速度。

　　圖1-1微微粒子在離體豬泌尿系統(tǒng)器官中的潛在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)框圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：說明了在恒定的磁場大小和驅(qū)動頻率下，毫游泳運(yùn)動員如何使用由操縱桿控制的不同游泳動作成功導(dǎo)航障礙物并遵循預(yù)定義的軌跡，包括“M”、“S”和“R”形狀（MSR）。最初，milliswimter采用模式1游泳，沿著“M”形的軌跡前進(jìn)（圖1-2b）。當(dāng)接近水平窄間隙障礙物1（長度2×寬度0.3mm，如圖1-2c的插圖所示）時，milliswimter通過調(diào)整滾動角度θ從模式1過渡到模式2輥到90，成功穿過狹窄的水平間隙。隨后，游泳者在這種模式下繼續(xù)沿著S形軌跡游泳（圖1-2c）。當(dāng)接近傾斜的45°窄間隙障礙物2（長度2×寬度0.3mm，如圖1-2d插圖所示）時，毫游泳者調(diào)整θ輥到45，成功穿越狹窄的間隙障礙物2。在此之后，通過以滾動頻率f旋轉(zhuǎn)milliswimmer輥1Hz，它采用模式3并沿R形軌跡向前移動（圖1-2d）。最后，這位毫不費(fèi)力的游泳運(yùn)動員從模式3過渡到模式1，毫不費(fèi)力地避開圓形障礙物并在水中航行。在整個過程中，毫游泳者的平均手動操作誤差為0.45毫米（0.12BL）。

　　圖1-2milliswimr的可控性和環(huán)境適應(yīng)性。a）毫游泳者平穩(wěn)地遵循預(yù)定軌跡（MSR）并調(diào)整其游泳模式以穿過狹窄間隙的示意圖。b）“M”形的軌跡。c）障礙物1，其特征是水平狹窄的間隙（長2毫米，寬0.3毫米，見插圖）和S形軌跡。d）障礙物2，一個45°角的傾斜狹窄間隙（長2毫米，寬0.3毫米，如圖所示）和一個R形軌跡。e）在基于視覺的自動控制下，milliswimter使用三個游泳動作來跟蹤魚形和MSR軌跡。該圖顯示了跟蹤的統(tǒng)計(jì)誤差分布。f）在基于視覺的自動控制下，毫游泳運(yùn)動員可以停留在空間中的指定點(diǎn)并懸停在指定的水平面上，在三個游泳泳姿中的每一次中表現(xiàn)出不同程度的誤差。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差N=3。g）在基于視覺的自動控制下，milliswimter使用三個游泳動作來跟蹤螺旋軌跡的統(tǒng)計(jì)誤差分布。h）通過在三個游泳泳姿之間切換，milliswimter在復(fù)雜的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（珊瑚狀）周圍自由游泳的行為。i）milliswimper在3D網(wǎng)絡(luò)中游泳的示意圖。ii）毫游泳者在3D結(jié)構(gòu)中連續(xù)游泳的視頻快照。比例尺，2毫米。

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