A Magnetic Millirobot Walks on Slippery Biological Surfaces for Targeted Cargo Delivery

📄 arXiv: 2403.04467v1 📥 PDF

作者: Moonkwang Jeong, Xiangzhou Tan, Felix Fischer, Tian Qiu

分类: cs.RO

发布日期: 2024-03-07

备注: 15 pages

DOI: 10.3390/mi14071439

💡 一句话要点

提出一种磁性微型机器人以解决生物表面滑动问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 微型机器人 靶向药物输送 生物表面 无线驱动 运动控制

📋 核心要点

  1. 现有的小型机器人在滑腻的生物组织表面上移动效率低，尤其是在负载较重的情况下，限制了其在微创医学中的应用。
  2. 本文提出了一种新型的磁性微型机器人，通过交替锚定和旋转的方式在生物表面行走，解决了滑动问题。
  3. 实验结果表明，该机器人能够在复杂地形上有效行走，并能携带高达自身重量四倍的货物，展现出良好的应用前景。

📝 摘要（中文）

小型机器人在微创医学中具有巨大的潜力，尤其是在目标药物输送方面。然而，现有机器人在滑腻的生物组织表面上高效移动时面临挑战，尤其是在负载较重时。本文报告了一种磁性微型机器人，能够通过交替在软组织表面锚定两个脚并旋转身体向前移动，从而在粗糙和滑腻的生物组织上行走。我们通过实验研究了其运动，并通过数值模拟进行了验证，优化了驱动参数以适应不同地形和负载条件。此外，我们开发了一种永久磁铁装置，使其能够在人体尺度内进行无线驱动，从而实现精确控制，跟随复杂轨迹、攀爬垂直墙面，并携带高达自身重量四倍的货物。到达目标位置后，机器人执行释放液体药物的部署序列。我们的微型机器人在粗糙生物地形上的稳健步态及其重载能力，使其成为目标药物输送的多功能有效载体。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决现有小型机器人在滑腻生物组织表面上高效移动的难题，尤其是在负载较重时的运动效率低下问题。

核心思路：论文提出的磁性微型机器人通过交替锚定两个脚并旋转身体的方式实现行走，这种设计使其能够在不平坦和滑腻的表面上保持稳定的运动。

技术框架：整体架构包括机器人本体设计、运动控制系统和无线驱动装置。机器人通过磁性装置实现无线驱动，能够在人体尺度内进行精确控制。

关键创新：最重要的技术创新在于机器人能够在粗糙和滑腻的生物表面上行走，并且具备高达自身重量四倍的负载能力，这在现有技术中尚属首次。

关键设计：关键参数设置包括驱动频率、锚定时间和旋转角度等，损失函数和控制算法经过优化，以适应不同的地形和负载条件。

📊 实验亮点

实验结果显示，该磁性微型机器人在复杂生物表面上能够稳定行走，并成功携带高达自身重量四倍的货物。与传统机器人相比，其在滑腻表面上的运动效率显著提升，展示了良好的应用潜力。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括微创医学中的靶向药物输送、体内诊断和治疗等。通过提高小型机器人的移动能力和负载能力，未来可能在医疗领域实现更高效的治疗方案，改善患者的治疗体验。

📄 摘要（原文）

Small-scale robots hold great potential for targeted cargo delivery in minimally-inv asive medicine. However, current robots often face challenges to locomote efficiently on slip pery biological tissue surfaces, especially when loaded with heavy cargos. Here, we report a magnetic millirobot that can walk on rough and slippery biological tissues by anchoring itself on the soft tissue surface alternatingly with two feet and reciprocally rotating the body to mov e forward. We experimentally studied the locomotion, validated it with numerical simulations and optimized the actuation parameters to fit various terrains and loading conditions. Further more, we developed a permanent magnet set-up to enable wireless actuation within a huma n-scale volume which allows precise control of the millirobot to follow complex trajectories, cl imb vertical walls, and carry cargo up to four times of its own weight. Upon reaching the targ et location, it performs a deployment sequence to release the liquid drug into tissues. The ro bust gait of our millirobot on rough biological terrains, combined with its heavy load capacity, make it a versatile and effective miniaturized vehicle for targeted cargo delivery.