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| 本文作者： 任平 | 2021-12-28 16:03 |
徐天添研究員，常用一句話描述自己的研究?jī)?nèi)容，“如何將一名外科醫(yī)生塞進(jìn)體內(nèi)完成各種手術(shù)？”
從博士開(kāi)始，她便從事微型機(jī)器人領(lǐng)域的研究，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員，博導(dǎo)。研究領(lǐng)域?yàn)榇趴匚⑿蜋C(jī)器人導(dǎo)航與路徑跟隨、微型機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)、軟體薄膜微型機(jī)器人、機(jī)器人的協(xié)同控制。
在磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人方向展開(kāi)長(zhǎng)期系統(tǒng)性研究，她優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率，解決了軟體微型機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，建立了微型機(jī)器人的自主路徑規(guī)劃與視覺(jué)伺服運(yùn)動(dòng)控制方法，并在生物醫(yī)學(xué)方面開(kāi)展應(yīng)用研究。
在雷峰網(wǎng)(公眾號(hào)：雷峰網(wǎng))GAIR2021機(jī)器人論壇現(xiàn)場(chǎng)，諸位大咖紛紛提到延遲響應(yīng)成為醫(yī)學(xué)機(jī)器人的通病。
在徐天添看來(lái)，速度的延遲或許能夠變成另一種技術(shù)優(yōu)勢(shì)。利用微型機(jī)器人的速度差，并最大化機(jī)器人之間的速度差，從而讓多機(jī)器人“分頭行動(dòng)”，實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的精準(zhǔn)靶向治療。
會(huì)上，徐天添以《面向靶向治療的磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制》為題，結(jié)合自身研究經(jīng)歷梳理了微型機(jī)器人的發(fā)展歷程、微型機(jī)器人的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景以及最新研究。
以下為演講內(nèi)容，醫(yī)健AI掘金志做了不改變?cè)獾恼砗途庉嫞?/strong>
機(jī)器人研究始于上世界60、70年代，主要圍繞大型工業(yè)機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、特種機(jī)器人而展開(kāi)。近兩年，我們逐漸在《Science》《Nature》以及子刊上看到微型機(jī)器人：一種是有線驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，比如仿生蟑螂、仿生小蟲(chóng)子這種分米級(jí)、厘米級(jí)的機(jī)器人；一種是無(wú)線驅(qū)動(dòng)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的毫米級(jí)、微納米級(jí)的微型機(jī)器人。
我的研究就圍繞無(wú)線驅(qū)動(dòng)的毫米級(jí)、微納米級(jí)的微型機(jī)器人而展開(kāi)。
從廣義上講，幾納米到幾毫米的機(jī)器人都可以定義為微型機(jī)器人。微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由螺線管、薄膜、線組成。
和傳統(tǒng)機(jī)器人最大的區(qū)別，微型機(jī)器人體積太小，無(wú)法一體化集成傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)、計(jì)算系統(tǒng)，所以一般采用外部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如磁場(chǎng)；外部傳感系統(tǒng)，如相機(jī)、超聲。
無(wú)線驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人系統(tǒng)：由外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備、外部傳感器、機(jī)器人本體及環(huán)境組成
從21世紀(jì)開(kāi)始，隨著微加工技術(shù)越來(lái)越好，螺旋型微型機(jī)器人越做越小。后來(lái)，隨著高分子材料技術(shù)的發(fā)展，螺旋微型機(jī)器人變成軟體微型機(jī)器人，并推動(dòng)軟體機(jī)器人從單一的運(yùn)動(dòng)模態(tài)發(fā)展成多種運(yùn)動(dòng)模態(tài)。
總體來(lái)看，微型機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，也是我自己的研究趨勢(shì)：
即從剛性本體到柔性本體、從開(kāi)環(huán)控制到閉環(huán)控制、從單一運(yùn)動(dòng)模態(tài)到多種運(yùn)動(dòng)模態(tài)、從單個(gè)機(jī)器人到多個(gè)機(jī)器人的控制。
微型機(jī)器人有非常大的應(yīng)用前景，可用于體內(nèi)、血管內(nèi)、腔道內(nèi)的靶向治療，比如胃腸出血。
傳統(tǒng)治療方法是在靜脈注射凝血藥，但會(huì)面臨在腦部細(xì)小血管處形成血栓的風(fēng)險(xiǎn)。如果選用內(nèi)載創(chuàng)口貼藥物的微型機(jī)器人，由它游動(dòng)到胃腸道內(nèi)部精準(zhǔn)治療，將有效避免血栓風(fēng)險(xiǎn)。
微型機(jī)器人研究可以歸納為三個(gè)問(wèn)題：
如何讓微型機(jī)器人在體內(nèi)動(dòng)起來(lái)？
如何讓它們按照既定路徑運(yùn)動(dòng)？
如何讓它們適應(yīng)體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境？
在自然界中，有兩種運(yùn)動(dòng)可以提供一些靈感：一個(gè)是精子的柔性震動(dòng)，一個(gè)是大腸桿菌的螺旋性運(yùn)動(dòng)。
通過(guò)這兩種運(yùn)動(dòng)，我們制作了兩種微型仿生機(jī)器人：一種是在震蕩磁場(chǎng)下用震動(dòng)產(chǎn)生推力，另外一種是在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下用螺旋形尾巴一邊轉(zhuǎn)一邊往前走，即螺旋型微型機(jī)器人。
最初，我們做出一個(gè)磁性微型機(jī)器人，用電磁線圈制成一個(gè)均勻磁場(chǎng)和梯度磁場(chǎng)，保證物體的磁化方向沿著磁場(chǎng)方向找齊，從而拉動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。
電磁線圈驅(qū)動(dòng)的磁性微型機(jī)器人模型
隨后，我在博士期間（2010年到2014年）又做了一系列工作，希望將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)做成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)。
這就是微型機(jī)器人的第二個(gè)問(wèn)題：如何讓它們按照既定路徑運(yùn)動(dòng)。
首先，我搭建了一個(gè)三維線圈，保證空間內(nèi)任何一個(gè)方向都可以產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)，并依靠編程電流產(chǎn)生各種不同的復(fù)雜磁場(chǎng)，比如震蕩磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、錐星磁場(chǎng)，從而控制機(jī)器人生成一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。
在磁場(chǎng)外部，我加了一個(gè)立體視覺(jué)系統(tǒng)，安置了兩個(gè)攝像頭，通過(guò)俯視圖和側(cè)視圖做成一個(gè)三維視覺(jué)重建：通過(guò)兩個(gè)機(jī)器人的軸向來(lái)重建三維坐標(biāo)空間里的軸向方向和三維軸向空間里中心點(diǎn)的定位。比如螺旋機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)時(shí)，我們可以實(shí)時(shí)跟蹤到它中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及它的俯仰角和前進(jìn)角。
磁性微型機(jī)器人路徑跟蹤控制
之后我們想給機(jī)器人做一個(gè)路徑跟蹤控制，類似讓機(jī)器人“自動(dòng)駕駛”：我給它畫(huà)一個(gè)軌跡，它可以自動(dòng)沿著軌跡走。
我們寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，一個(gè)非線性的方程，一個(gè)是線性方程。
線性方程有兩個(gè)誤差：一個(gè)是距離誤差，即微型機(jī)器人到參考路徑的距離誤差；一個(gè)是角度誤差，即微型機(jī)器人的前進(jìn)方向與到路徑上最近點(diǎn)的切線方向的角度誤差。
如果這兩個(gè)誤差都為0，就證明這個(gè)機(jī)器人在此刻和未來(lái)時(shí)刻會(huì)繼續(xù)沿著參考路徑運(yùn)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)表明，閉環(huán)控制可以讓螺旋型機(jī)器人中心點(diǎn)永遠(yuǎn)保持在參考路徑上。
我回國(guó)以后（2014年畢業(yè)于巴黎第六大學(xué) ），開(kāi)始將微型機(jī)器人向軟體化方向發(fā)展。
起初，我們要在生物體內(nèi)做一系列軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，軟體機(jī)器人對(duì)生物組織非常友好，接觸輕柔，不會(huì)給器官造成一些損害。
隨后，我們?cè)诠枘z薄膜中摻了一些磁性顆粒，做了一個(gè)比較巧妙的磁場(chǎng)方向，保證機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)里作螺旋形運(yùn)動(dòng)，并逐步實(shí)現(xiàn)三維自動(dòng)駕駛，保證機(jī)器人在任意空間里的路徑被跟蹤、被控制。
但是軟體機(jī)器人也存在一個(gè)問(wèn)題：由于形狀不固定，機(jī)器人的中心點(diǎn)位置計(jì)算復(fù)雜，需要用移動(dòng)平均值的方法來(lái)計(jì)算中心點(diǎn)位置，以及用中心點(diǎn)移動(dòng)方向的位置來(lái)代替機(jī)器人的軸，從而找到一個(gè)確定的機(jī)器人軸向。
因此，我們想做一個(gè)三維路徑跟蹤控制。它有兩個(gè)控制環(huán)：
一個(gè)是控制微型薄膜的前進(jìn)方向，保證這個(gè)薄膜始終保持在三維路徑上。我們的參考路徑用了一個(gè)路徑微分法，可以針對(duì)任意路徑都實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤。
另外是改變了磁化方向，只把機(jī)器人的軸部做了磁化。在不同的磁場(chǎng)中，機(jī)器人做不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
比如在錐形的磁場(chǎng)中，機(jī)器人做螺旋型運(yùn)動(dòng)；
在上下震動(dòng)的磁場(chǎng)中，機(jī)器人做爬行運(yùn)動(dòng)；
在水平震動(dòng)的磁場(chǎng)中，機(jī)器人做水蛇樣擺動(dòng)；
在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，機(jī)器人做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
我們給這些運(yùn)動(dòng)建模，看機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和物理性征的關(guān)系，比如磁場(chǎng)頻率、長(zhǎng)度、爬行運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、螺旋性運(yùn)動(dòng)等。
多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的磁性軟體薄膜微型機(jī)器人
為什么要讓它做多模態(tài)運(yùn)動(dòng)呢？
最大的好處是讓微型機(jī)器人適用復(fù)雜環(huán)境。
如果是螺旋形運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人只能穿過(guò)比它直徑更大的縫隙。但如果是擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人則會(huì)穿越非常狹窄的縫隙。
另外，如果改變材料，機(jī)器人能夠輕松變大或變小，將為我們開(kāi)啟更大的想象空間。
比如用了溫敏水凝膠材料的微型機(jī)器人，它在光熱作用下可以失水到自身體積的35%，可以輕松穿過(guò)比自身原始尺寸更小的縫隙。而且，這種溫敏水凝膠失水的特性也可以用作靶向藥薄膜，通過(guò)失水釋放一些水溶性藥物出來(lái)，起到緩釋的效果。目前我們這項(xiàng)研究是發(fā)表在了材料領(lǐng)域的《AFM》期刊上。
隨后，我們繼續(xù)推進(jìn)了薄膜機(jī)器人的應(yīng)用研究。
我們找到一種特殊薄膜，當(dāng)它沒(méi)被磁化時(shí)，呈十字形平整狀；加磁場(chǎng)后，薄膜鼓起來(lái)。
我們用這種薄膜制成了一個(gè)十字形薄膜機(jī)器人，可以控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡，搬運(yùn)一些比較小的物體。
而且這種薄膜機(jī)器人有兩種運(yùn)動(dòng)模式：一種是仿水母模式，用于空載；一種是加震蕩的磁場(chǎng)，像一個(gè)鏟車抓手，用于搬運(yùn)。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，這種薄膜機(jī)器人可以做一些細(xì)胞篩選的工作。
傳統(tǒng)細(xì)胞篩選的方法是醫(yī)生邊看顯微鏡邊拿探針手動(dòng)篩選，重復(fù)性高、精度要求高。但如果用微型機(jī)器人做細(xì)胞篩選，我們只需要在屏幕上點(diǎn)一點(diǎn)，就可以啟動(dòng)它們自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。
目前，我們?cè)谕七M(jìn)多機(jī)器人的協(xié)同控制工作。
這項(xiàng)工作難度非常大。因?yàn)橥粋€(gè)磁場(chǎng)下，磁微型機(jī)器人所受的控制相同，如何讓某一個(gè)機(jī)器人單獨(dú)行動(dòng)，擁有不同的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)位置，其實(shí)就是讓不同的機(jī)器人解耦。
目前我們有幾種解決方法：
第一種是給磁性微型機(jī)器人做不一樣的震蕩頻率，比如做多個(gè)線圈、做立體空間的磁式陷阱、或者通過(guò)粒子碰壁做一些位置控制。
但這種方法還有一個(gè)難題：機(jī)器人之間速度關(guān)聯(lián)，我們很難對(duì)某個(gè)機(jī)器人獨(dú)立控制。
第二種方法，改變機(jī)器人的磁化角。
當(dāng)某一個(gè)機(jī)器人在磁場(chǎng)的某一時(shí)刻速度為0，并持續(xù)一段時(shí)間，我們就可以利用速度為0的這一段時(shí)間，塞入另外一個(gè)具有一定速度的微型機(jī)器人，從而成功實(shí)現(xiàn)不同機(jī)器人的速度解耦。
理論上，我們可以做四個(gè)在特定時(shí)刻完全解耦的微型機(jī)器人。
多磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人的獨(dú)立位置控制和路徑跟隨控制
動(dòng)圖展示
我們現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)微型機(jī)器人的獨(dú)立控制，未來(lái)我們希望實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人之間的位置控制和路徑控制，并逐步由多模態(tài)操縱它們，最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，由微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)靶向治療。
以上是我的分享，謝謝大家！
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