Acoustic-driven millimetric helical robot: ultrasonic synergistic manipulation in confined fluidic environment
作者: Hanlin Wang, Xin Wang, Xinwei Wei, Jiaxu Liu, Le Wang, Shengze Cai, Chao Xu
分类: cs.RO
发布日期: 2026-08-06
💡 一句话要点
提出协调多声场方法以提升毫米级螺旋机器人在生物环境中的操控能力
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 声场操控 毫米级机器人 生物医学应用 多声场方法 微创手术 药物输送 细胞操控
📋 核心要点
- 现有声场驱动方法在毫米级机器人推进效率上存在不足，特别是在生物环境中。
- 本文提出的协调多声场方法结合了声辐射力与声流，显著提升了毫米级螺旋机器人的操控能力。
- 实验结果表明，机器人在生物血管中实现了有效的单向和往复运动，验证了其在生物医学中的应用潜力。
📝 摘要（中文）
声场驱动的操控为控制微观和纳米级物体提供了一种非接触、非侵入的策略，但在生物环境中，毫米级机器人的推进效率受到限制。本文提出了一种协调的多声场方法，利用声辐射力和声流的协同作用，实现毫米级螺旋机器人的受控运动并增强推进能力。多物理场模拟捕捉了在组合声场下毫米级螺旋机器人的动态，实验验证了其运动能力，包括平面导航、倾斜爬升和垂直运动。体外测试表明，协调声场支持在生物相关的限制下实现单向和往复运动。这些发现为将声微操控扩展到毫米级提供了机制性见解，并支持需要多功能和可控机器人移动性的生物医学应用。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决毫米级螺旋机器人在生物环境中推进效率不足的问题。现有声场驱动方法在生物体内的应用受到限制，无法实现有效的操控。
核心思路：提出了一种协调的多声场方法，通过结合声辐射力与声流的协同作用，增强了毫米级机器人的推进能力和操控精度。
技术框架：整体架构包括声场生成模块、机器人运动控制模块和多物理场模拟模块。声场生成模块负责产生不同频率和强度的声场，运动控制模块实现机器人的导航和运动，模拟模块用于分析声场对机器人的影响。
关键创新：最重要的技术创新在于将声辐射力与声流结合，形成协同效应，显著提升了毫米级机器人的运动能力，与传统单一声场方法相比，具有更高的操控灵活性。
关键设计：在实验中，声场的频率、强度和相位被精确调节，以实现最佳的推进效果。此外，采用了多物理场模拟技术，确保了对机器人动态行为的准确预测和控制。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，毫米级螺旋机器人在生物血管中实现了有效的单向和往复运动，验证了其在生物医学应用中的可行性。与传统方法相比，机器人在复杂环境中的操控灵活性显著提升，表现出更高的运动效率和适应性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括生物医学领域的微创手术、药物输送和细胞操控等。通过提升毫米级机器人的操控能力，可以实现更为精确的治疗和操作，未来可能对医疗技术的发展产生深远影响。
📄 摘要（原文）
Acoustic field-driven manipulation provides a non-contact and non-invasive strategy for controlling microscale and nanoscale objects, yet its extension to millimeter-scale robots was limited by insufficient propulsion efficiency in confined biological environments. Here, a coordinated multi-acoustic-field approach is introduced, which harnesses the synergistic action of acoustic radiation forces and acoustic streaming flows to enable controlled locomotion of millimeter-scale helical robots and enhance propulsion. Multiphysics simulations captured the dynamics of millimeter-scale helical robots under combined acoustic fields, and experimental validation demonstrated their locomotion capabilities, including planar navigation, inclined climbing, and vertical motion. Semi-autonomous navigation experiments further confirmed that ultrasonic synergy substantially improved maneuverability. In vitro tests in porcine venous vessels demonstrated that coordinated acoustic fields supported both unidirectional and reciprocating motion under biologically relevant confinement. These findings provide mechanistic insight into scaling acoustic micromanipulation to the millimetre regime and support biomedical applications requiring versatile and controllable robotic mobility.