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新型磁控方法可单个控制体内微型机器人 实现精准定向手术

2017-02-16 14:24
木中君
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最新一期的 Science Robotics 展示了机器人领域的新研究成果:以磁力远程驱动和控制的人体内微型机器人。

  

控制机器人在人体内的运动有两种办法:试着打造一种复杂的自带推进和导航的微型机器人潜水艇(不过这类机器人很难做),或是打造响应磁场的小不点儿机器人(利用大磁铁从外部控制机器人的运动)。后一种方法要简单得多,不过有一个主要的不足:难以控制多个微型机器人。

问题在于:磁场因为是场,因此不易局限在某个特定区域。实际上,如果你在使用诸如一台临床 MRI 扫描仪来创造磁场,那么,无论磁场梯度如何,都会影响到 MRI 内部的所有东西,无论是单个微型机器人还是一群机器人。如果你想让两个不同的机器人做不同的事情,对不起,那就不走运了。

一个有希望的潜在解决方式就是让每个机器人彼此轻微差异化,这样,持续的控制输入就能对每个机器人产生并不一致的影响。不过,对于同质机器人(homogenous robots)来说,就要难得多。今天,发表在 Science Robotics 上的一篇论文(来自德国汉堡的飞利浦研究院,Philips Research in Germany)介绍了一种技术,可以利用磁场选择性地驱动单个机器人,或者这个机器人的某个组件,即使这些机器人都是同一材质制作的,并位于同一磁场中。

这是这一技术的运作原理:设备中的整体磁场中有一个洞,也叫自由场点(a free field point,FFP),也是多个磁场(每个磁场都是有独立线圈生成的)相遇的地方。在 FFP 里面,磁场梯度很低,没办法协助你移动物体,不过,却能帮助你不移动物体,因为你可以在适当的地方,通过调大磁场梯度,「锁住」不在 FFP 中的任何东西。然后,采用一个温和的旋转磁场,它可以旋转 FFP 中任何东西而不会下锁。通过来回移动 FFP,你就可以选择要锁住的东西以及要自由转动的东西。

在这一案例中,「锁」是一个利用磁场而一边倾斜的螺旋体(screws),这样它们就不能旋转,而 FFP 是零度倾斜区域,亦即螺旋体可以自由旋转。这一研究采用的硬件可以单个驱动螺旋体,而且这些螺旋体的间距可以低至 3 毫米左右。

  

由磁场生成器(左)的图解可见有三套直角线圈,在 z 方向(灰色)有一个铁质内核。磁场生成器(中)有一个直径 12 厘米的钻孔。xy 平面(右)上理想磁场中心有一个 0 点,也就是自由场点(FFP),白色的箭头代表局部磁场向量。

研究人员建议了一大堆不同的办法来让这一技术发挥实际作用:

有一类应用是以几个分别加以控制的螺旋体驱动机制为基础的。在整形外科中,可用于移植,被移植部分的形状能够根据恢复过程发生变化。在诸如下肢增长或早发性脊柱侧凸等案例应用中,基于几个可控旋转体机制或为可延伸假肢或增长棒提供更高灵活性。另外,这一办法能够用于微流体中,其中,可以想象一种简单微型磁泵以及阀门,无需电力或机械连接,即可单独进行驱动。

另一类使用情况与用于局部治疗实现的简单微型机器有关,比如遥控一个可注射磁性微型药丸释放药物。遥控可切换放射性种子是一类特殊案例。可切换开关的机器人种子(Switchable seeds)能让资源的使用有更长的半衰期或更高的剂量率,因为达到所需的剂量后,放射性就可以被关闭。除此之外,最终距离健康组织或敏感器官太近的移动种子可以被关闭。

使用带槽的螺旋盾,定向种子的远程调节方式可以被建立。这可能会让医疗领域中的精确用药和组织维护技术有进一步的提升。另外,我们证明了磁操纵可以达到微米级别的精确性。通过导管,我们可以把种子带入肿瘤和血栓的位置,完成任务后从血管中排出。在成像定位后,只有到达肿瘤位置的种子会被远程激活。

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