Robust Autonomous Control of a Magnetic Millirobot in In Vitro Cardiac Flow

📄 arXiv: 2604.01523v1 📥 PDF

作者: Anuruddha Bhattacharjee, Xinhao Chen, Lamar O. Mair, Suraj Raval, Yancy Diaz-Mercado, Axel Krieger

分类: cs.RO

发布日期: 2026-04-02

💡 一句话要点

提出基于视觉引导的磁性微型机器人自主控制系统，用于模拟心脏血流环境下的精准导航。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 磁性微型机器人 自主控制 心脏血流 滑模控制 扰动观测器 视觉引导 UNet 靶向药物递送

📋 核心要点

  1. 在脉动心脏血流中实现可靠的自主控制是磁性微型机器人应用于微创心脏治疗的关键挑战。
  2. 该论文提出了一种视觉引导的控制框架，结合UNet定位、A*路径规划和带有扰动观测器的滑模控制器，以实现精确导航。
  3. 实验结果表明，该系统在各种血流条件下均表现出优异的鲁棒性和精度，优于PID和MPC等基线方法。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于视觉引导的控制框架，实现了磁性微型机器人在体外心脏模型中，生理相关血流条件下的精确自主导航。该系统集成了基于UNet的定位、A*路径规划以及带有扰动观测器(SMC-DOB)的滑模控制器，用于多线圈电磁驱动。尽管拖曳力使用稳态CFD仿真进行估计，但控制器能够补偿闭环运行期间的瞬态脉动扰动。在静态流体中，SMC-DOB实现了亚毫米级精度（均方根误差RMSE = 0.49 mm），优于PID和MPC基线。在适度的脉动流（峰值7 cm/s，20 cP）下，与PID相比，RMSE降低了37%，峰值误差降低了2.4倍。在高脉动流（峰值10 cm/s，20 cP）和低粘度条件（4.3 cP，峰值7 cm/s）下，SMC-DOB仍能将RMSE保持在2 mm以下（0.27倍机器人长度），而基线控制器表现出不稳定或跟踪失败。这些结果表明，在时变心脏血流扰动下，闭环磁控制具有鲁棒性，并支持自主微型机器人导航在靶向药物递送中的可行性。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决磁性微型机器人在模拟心脏血流环境中自主导航的问题。现有方法难以克服脉动血流带来的干扰，导致控制精度下降甚至失效。尤其是在高脉动流速和低粘度条件下，传统控制器的性能会显著降低。

核心思路：论文的核心思路是设计一个能够有效抑制脉动血流干扰的鲁棒控制器。通过结合UNet视觉定位、A*路径规划和带有扰动观测器的滑模控制器(SMC-DOB)，系统能够实时估计并补偿血流扰动，从而实现精确的自主导航。

技术框架：该系统的整体框架包括以下几个主要模块：1) 基于UNet的视觉定位模块，用于实时获取微型机器人的位置信息；2) A*路径规划模块，用于生成从起点到目标点的最优路径；3) 基于多线圈电磁驱动的控制模块，该模块采用SMC-DOB控制器，利用电磁力驱动微型机器人沿规划路径运动。系统通过闭环控制，不断调整电磁力，以克服血流扰动，实现精确跟踪。

关键创新：该论文的关键创新在于采用了带有扰动观测器的滑模控制器(SMC-DOB)。与传统的PID和MPC控制器相比，SMC-DOB能够更有效地估计和补偿脉动血流带来的瞬态扰动，从而提高控制系统的鲁棒性和精度。此外，结合UNet的视觉定位方法也提高了定位精度，为精确控制提供了保障。

关键设计：SMC-DOB控制器的设计是关键。扰动观测器用于估计血流扰动，滑模控制器用于保证系统的稳定性和跟踪性能。论文中，拖曳力通过稳态CFD仿真进行估计，但控制器能够补偿瞬态脉动扰动。具体参数设置和网络结构等技术细节在论文中有详细描述（未知）。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

实验结果表明，在静态流体中，SMC-DOB实现了亚毫米级精度（RMSE = 0.49 mm），优于PID和MPC基线。在适度的脉动流（峰值7 cm/s，20 cP）下，与PID相比，RMSE降低了37%，峰值误差降低了2.4倍。在高脉动流（峰值10 cm/s，20 cP）和低粘度条件（4.3 cP，峰值7 cm/s）下，SMC-DOB仍能将RMSE保持在2 mm以下（0.27倍机器人长度），而基线控制器表现出不稳定或跟踪失败。这些数据充分证明了SMC-DOB控制器的鲁棒性和有效性。

🎯 应用场景

该研究成果具有广阔的应用前景，可用于开发微创心脏治疗技术，例如靶向药物递送。通过精确控制微型机器人在心脏内的运动，可以将药物直接输送到病灶部位，提高治疗效果，减少副作用。此外，该技术还可以应用于其他微创手术，例如血管疏通、组织修复等，具有重要的临床价值。

📄 摘要（原文）

Untethered magnetic millirobots offer significant potential for minimally invasive cardiac therapies; however, achieving reliable autonomous control in pulsatile cardiac flow remains challenging. This work presents a vision-guided control framework enabling precise autonomous navigation of a magnetic millirobot in an in vitro heart phantom under physiologically relevant flow conditions. The system integrates UNet-based localization, A* path planning, and a sliding mode controller with a disturbance observer (SMC-DOB) designed for multi-coil electromagnetic actuation. Although drag forces are estimated using steady-state CFD simulations, the controller compensates for transient pulsatile disturbances during closed-loop operation. In static fluid, the SMC-DOB achieved sub-millimeter accuracy (root-mean-square error, RMSE = 0.49 mm), outperforming PID and MPC baselines. Under moderate pulsatile flow (7 cm/s peak, 20 cP), it reduced RMSE by 37% and peak error by 2.4$\times$ compared to PID. It further maintained RMSE below 2 mm (0.27 body lengths) under elevated pulsatile flow (10 cm/s peak, 20 cP) and under low-viscosity conditions (4.3 cP, 7 cm/s peak), where baseline controllers exhibited unstable or failed tracking. These results demonstrate robust closed-loop magnetic control under time-varying cardiac flow disturbances and support the feasibility of autonomous millirobot navigation for targeted drug delivery.