Реконфигурируемые в масштабе миниатюрные феррожидкостные роботы для преодоления резко изменяющихся пространств
 |
| Миниатюрные феррожидкостные роботы в крови - диаграмма |
Здесь мы реализуем реконфигурируемые в масштабе миниатюрные феррожидкостные роботы (SMFRS) на основе капель феррожидкости и предлагаем ряд стратегий управления для изменения масштаба и деформации SMFR для достижения масштабного управления движением путем разработки многомасштабной магнитной миниатюрной 3системы управления роботом (MRA).
Результаты показали, что SMFR, варьирующиеся от сантиметров до нескольких микрометров, используют различные возможности, такие как передвижение в структурированных средах, деформация для протискивания через промежутки и даже обратимая реконфигурация масштаба для навигации в резко изменяющихся пространствах. Миниатюрная роботизированная система с объединением этих возможностей обещает быть применена в будущих беспроводных медицинских роботах внутри ограниченных областей человеческого тела.
Не привязанные магнитные миниатюрные роботы могут перемещаться в просветах и трубчатых тканях, позволяя проводить новые минимально инвазивные терапевтические и диагностические медицинские процедуры, сокращая время восстановления, снижая риск заражения и уменьшая вероятность осложнений (1-5). Таким образом, миниатюрные магнитные роботы претерпели быстрое развитие за последние 2 десятилетия благодаря их потенциальному применению в медицине и биоинженерии (6-8). Например, предыдущие работы доказали, что миниатюрные магнитные роботы могут проходить через ограниченные пространства внутри человеческого тела (например, разрывы тканей и ответвления кровеносных сосудов), чтобы осуществлять микроманипуляцию и доставку грузов с точностью до клеточного уровня (9, 10), обеспечивая активное целенаправленное лечение на микромасштабе (11, 12). В последнее время мягкие миниатюрные роботы, изготовленные из активных материалов, таких как жидкости, гели и эластомеры, продемонстрировали относительно большое количество степеней свободы по сравнению с жесткими материалами, основанными на фиксированных формах (13). Кроме того, различные деформации этих роботов могут быть устранены с помощью программируемых структур и профилей намагничивания под действием внешнего магнитного поля, что подчеркивает их гибкость и применимость в неструктурированных средах (13-15).
В частности, появились и значительно продвинулись мягкие роботы на основе феррожидкостей, поскольку они обеспечивают автономное перемещение и деформацию посредством программирования внешних магнитных полей в пространстве и времени посредством самоорганизующейся гидродинамики, а не полагаются на сложную и сложную конструкцию из твердых конструкций. Многие исследовательские группы изучили потенциал феррожидкостных миниатюрных роботов и продемонстрировали ряд интересных экспериментальных результатов, а также механизмы, лежащие в их основе (16-25). Например, Латикка и др. (17) изучил вызванное магнитным полем расщепление капель феррожидкости, погруженных в несмешивающуюся жидкость, и обсудил связанную с этим динамику и приложения. Ахмед и др. (18) добились заметного прогресса в изучении передвижения, деформации, расщепления/ слияния и потенциальных применений феррожидкостных капель миллиметрового размера. Nacev и соавт. (19) продемонстрировали медицинское применение феррожидкостей. Они разработали и проверили оригинальный механизм для оптимального совместного управления несколькими электромагнитами для перемещения одного пятна феррожидкости от края домена к глубокой центральной мишени с минимальным растеканием.
Однако, несмотря на недавние достижения в этой области, существующие работы были сосредоточены только на характеристиках и характеристиках миниатюрных роботов в том же масштабе без учета степени соответствия размера робота и масштаба рабочего пространства. Например, соответствующие исследования доказали, что робот миллиметрового масштаба может доставлять лекарства в большие замкнутые пространства, такие как желудок, кишечник и фаллопиевы трубы in vivo (26-29). Однако по сравнению с биологическими барьерами роботы миллиметрового масштаба слишком велики, что ограничивает их способность проникать в опухоли и другие ткани и снижает их применимость и практичность при адресной доставке лекарств. Напротив, роботы микрометрового масштаба обладают существенными преимуществами в маневренности из-за своих меньших размеров, что позволяет им свободно перемещаться между разрывами тканей и даже через гематоэнцефалический барьер. Таким образом, микрометрические роботы являются идеальным решением для достижения точной адресной доставки лекарств in vivo (30-34). К сожалению, роботы микрометрового масштаба, ограниченные своим крошечным объемом, не могут достичь достаточного уровня, чтобы конкурировать с пораженными тканями, которые на несколько порядков больше (35, 36). Поэтому, учитывая внутреннее противоречие между достижимостью и возможностями для миниатюрных роботов определенного масштаба, предложение мягких миниатюрных роботов с реконфигурируемыми весами и разработка системы управления, совместимой с многомасштабными роботами, могли бы решить вышеупомянутые проблемы.
Здесь, вдохновленные предыдущими миниатюрными роботами на основе капель, мы предлагаем ряд стратегий управления для достижения масштабной локомоции, деформации и масштабной реконфигурации миниатюрных роботов путем использования капель феррожидкости в качестве роботов и разработки системы управления, совместимой с многомасштабными роботами. Достижение этих масштабных маневров с помощью настоящего исследования концептуализируется, как показано на рис. 1. Учитывая потенциал капель феррожидкости (рис. 1B) как миниатюрные мягкие роботы с экстремальной деформируемостью, такие как расщепление и рекомбинация, они являются лучшим выбором для исследования управления масштабной реконфигурацией в этой работе. Поэтому в качестве магнитных агентов используются феррожидкостные роботы (разделенные на основе наибольшего размера элемента), в том числе феррожидкостные роботы сантиметрового масштаба (centi-FRs), феррожидкостные роботы миллиметрового масштаба (milli-FRs) и феррожидкостные роботы микромасштабного масштаба (micro-FRs).
Кроме того, как показано на рис. 1C, мы разработали гибридный магнитный привод, многомасштабный магнитный миниатюрный робот (MСистема 3 RA), сочетающая электрические и постоянные магниты в одной системе, позволяет нам использовать слабое фоновое магнитное поле, создаваемое электромагнитными катушками, для управления сильным приводным магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом, который может генерировать мощное магнитное поле (B) / градиентное (∇B) поле одновременно впрограммируемый способ. На основе системы M 3 RA были хорошо изучены реконструкция формы и масштаба и управление движением реконфигурируемого в масштабе миниатюрного феррожидкостного робота (SMFR) (рис.1, A и D), что позволило нам продемонстрировать возможности SMFR, согласовывая резко изменяющиеся среды с многомасштабными конструктивными особенностями (рис. 1E). Мы предполагаем, что способность SMFR осуществлять комбинированную локомоцию, деформацию и реконфигурацию масштаба может обеспечить доступ к сложным труднодоступным областям и указывает на большой потенциал для практического использования в лабораторных приложениях на чипе и биомедицинских процедурах с минимальной инвазивностью и безопасным доступом.
Рис. 1. Обзор стратегий масштабного маневрирования и масштабной реконфигурации миниатюрных феррожидкостных роботов с возможностью масштабной реконфигурации (SMFRs).
(A) Транс-масштабное управление SMFR: перемещение centi-FR, milli-FR и micro-FR на основе магнитного градиента, как магнитного градиента, так и крутящего момента, и только магнитного момента, соответственно. (B) Поведение капель феррожидкости в магнитных полях. (C) SMFR управляется специально разработанной системой магнитного привода (система M3 RA), состоящей из четырех электромагнитов, сферического постоянного магнита (SPM) и моторизованной ступени перемещения. Чтобы легко наблюдать за внутренним составом системы, мы скрываем четверть структуры. (D) Деформация и масштабная реконфигурация SMFR: деформация растяжения, уменьшение масштаба за счет разделения и увеличение масштаба за счет рекомбинации. Красная стрелка показывает направление поляризации магнитного поля. (E) Типичный сценарий применения SMFR, основанный на сочетании вышеуказанных возможностей: передвижение в резко изменяющемся пространстве, таком как сосудистая сеть.
Результаты
Характеристика и стратегии приведения в действие SMFR
Как показано на фиг.2 (А и Б), феррожидкость на масляной основе представляет собой стабильную коллоидную суспензию наночастиц Fe3o4 (≈10 нм, суперпарамагнитные наночастицы), диспергированную в поверхностно-активном веществе и жидкости-носителе (легком углеводородном масле) для предотвращения агломерации, которая обладает уникальным сочетанием свойств жидкости и сильный магнитный отклик. То есть в присутствии внешнего магнитного поля капля феррожидкости стремится выровняться с магнитным полем, создавая индуцированный магнитный момент в направлении внешнего магнитного поля и минимизируя внутреннюю энергию путем изменения ее формы или положения (37, 38).
Однако стоит отметить, что феррожидкость не является разновидностью типичной магнитореологической жидкости, где диаметр частиц Fe3O4 обычно достигает микрометрового уровня (39), поскольку она сохраняет почти стабильную вязкостную характеристику при увеличении напряженности магнитного поля, как показано на фиг. S1A. Таким образом, поведение феррожидкости в текучей среде будет сохранять аналогичную гибкость даже при различной плотности магнитного потока. Конкуренция между магнитными силами и поверхностным натяжением придает им эластомерные свойства, что позволяет манипулировать каплей феррожидкости в целом. Более того, поскольку гибкость и аморфность жидкостей передаются по наследству, капли феррожидкости обладают превосходной деформируемостью и даже способностью к слиянию или расщеплению, что позволяет легко изучать реконфигурацию их масштабов и делает SMFR хорошим кандидатом для изучения масштабного управления миниатюрными роботами.
Рис. 2. Характеристика SMFR и системы M3 RA.
(А) Результаты просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) наночастиц в феррожидкости. (B) Состав и свойства магнитного отклика феррожидкости на масляной основе (белые линии, магнитное поле; черные линии, контуры постоянного поля). (C) Распределение магнитного поля и определение координат системы M3 RA. (D) Результаты измерения плотности магнитного потока B или, что эквивалентно, распределения магнитного поля H = B/μ0 в плоскости в 5 мм от вершины SPM. (E) Сравнение между магнитным полем, генерируемым катушкой (синяя линия) и СЗМ вдоль направления поляризации, с подфигурой, показывающей локальный увеличенный рисунок заштрихованной части кривой. (F) Схема установки для измерения скорости SPM, основанной на законе электромагнитной индукции Фарадея. (G) взаимосвязь между наведенным напряжением Ve, генерируемым при перерезании линии магнитной индукции при вращении SPM, и амплитудой Vd и частотой колебаний управляющего напряжения. Столбики ошибок представляют SDs для трехкратных измерений. Максимальная частота вращениямаксимальное значение f SPM в зависимости от управляющего напряжения Vd (H) и угла поворота θ s при vd = 20 В (I).
Доказано, что капли феррожидкости эффективно приводятся в действие неоднородным магнитным полем (17, 24) или вращающимся магнитным полем (16, 40).Принцип приведения в действие SMFR неоднородным магнитным полем относительно прост. Это в основном зависит от эффекта сопротивления магнитной градиентной силы, объемной силы, пропорциональной размеру капли. Однако механизм, лежащий в основе вращения капель феррожидкости с помощью внешнего магнитного поля, намного сложнее. Магнитные частицы в феррожидкостях можно рассматривать как жесткие магнитные диполи (рис. S1B), которые вращаются с частотой внешнего вращающегося магнитного поля с постоянной задержкой по фазе из-за вязкого трения о жидкость-носитель и уравновешиваются магнитным моментом (41).
Внутри SMFR коротация двух соседних частиц рассеивается за счет вязкого трения; следовательно, только на границе раздела трение низкое, и граница раздела SMFR может вращаться (фиг. S1B). Короче говоря, это своего рода вращение, вызванное поверхностным эффектом. Следовательно, чем больше удельная площадь поверхности (чем меньше размер) SMFR, тем выше эффективность приведения в действие, и наоборот. Чтобы убедиться в этом, мы изучили максимальную скорость вращения SMFR с различными масштабами во вращающемся магнитном поле (B = 2.5 мТл) путем измерения их максимальных скоростей перемещения на подложке и сравнения величины магнитных градиентных сил на них (рис. S1C). Результаты показывают, что SMFR меньшего масштаба имеет более высокую скорость вращения, но более слабую магнитную градиентную силу; напротив, SMFR большего масштаба подвергается воздействию более заметной градиентной силы, но его способность к вращению относительно ослаблена, что согласуется с приведенным выше анализом.
В заключение, магнитная градиентная сила и магнитный крутящий момент влияют на поведение при движении SMFR разных размеров на произвольных уровнях; то есть SMFR меньшего размера более восприимчивы к магнитному крутящему моменту, поскольку их магнитные градиентные силы не учитываются (подробности см. В примечании S3). Однако с увеличением масштаба робота оптимальное приводное усилие постепенно переходит от магнитного крутящего момента к магнитной градиентной силе. Следовательно, micro-FR предпочтительнее для приведения в действие методом качения с помощью магнитного крутящего момента из-за его уникальной чувствительности к выбору крутящего момента. Centi-FR легче вытягивать, испытывая мощную магнитную градиентную силу. Что касается milli-FR, то он может приводиться в действие силой магнитного градиента, крутящим моментом или, что более эффективно, и тем, и другим.
Система M3 RA для приведения в действие SMFR
Согласно предыдущему выводу, ключом к достижению эффективного управления SMFR является изменяющееся во времени магнитное поле с мощным градиентом силы и крутящего момента. Для решения этой задачи мы разработали гибридный магнитный привод, объединив постоянный магнит и электромагниты, чтобы создать систему M 3 RA, которая отличается высокой компактностью. Как показано на рис. 1C и рис. S2, четыре ортогональных соленоида расположены внутри этой системы в каждой нижней вершине кубического пространства, каждый из которых направлен в центр, где находится сферический постоянный магнит (SPM), состоящий из NdFeB. Для ограничения положения СЗМ использовалась чашеобразная опора, благодаря которой его центр всегда находился в фокусе четырех осей электромагнитной катушки. Кроме того, чтобы уменьшить трение между СЗМ и опорой, мы покрыли их контактные поверхности смазочным маслом с низкой вязкостью и графитовым порошком, как показано на фиг. S2B. Для увеличения системы была использована трехосная моторизованная ступень перемещениягибкость и возможность программирования магнитных полей в широком диапазоне доступных пространств (рис. S2C). Оптимизированные параметры, используемые для проектирования прототипа нашей машины, приведены в примечании S2 (таблица S1).
Благодаря своей уникальной структуре система M3 RA может генерировать фоновое магнитное поле (BB) с заданными направлениями путем настройки тока внутри соленоида. Согласно уравнению 2 (см. Материалы и методы), магнитный момент m SPM будет вынужден выровняться с Bb из-за существующего магнитного момента между ними. Следовательно, необходимое магнитное поле может быть получено путем регулировки положения и /или ориентации постоянного магнита. В частности, для динамического вращающегося поля SPM будет следовать за полем с фиксированным углом смещения (≤90∘); для магнитного поля, не зависящего от времени, оно имеет тенденцию выравниваться с полем. Таким образом, мы реализовали свободное управление чрезвычайно сильным возбуждающим магнитным полем ba очень слабым магнитным полем bb.
Рисунок 2 (C и D) иллюстрирует распределение магнитного поля (ba) в плоскости 5 мм (dh) от поверхности СЗМ. Для сравнения были смоделированы и измерены соответствующие результаты BB, генерируемого катушкой системы M3 RA (рис. S3). На рисунке 2E показаны кривые затухания ba и BB вдоль направления намагничивания SPM и катушки, соответственно. В сочетании с результатами эксперимента и моделирования на фиг. S3, разумно заключить, что СЗМ мог бы обеспечить более мощное статическое магнитное поле Вa с доступной напряженностью магнитного поля до 300 мТл и самым высоким магнитным градиентом, превышающим 50 Тл / м, что намного выше максимального фонового магнитного поля B b с соответствующими параметрами 15 мТл и 1,5 Тл / м на верхней поверхности катушки. Стоит отметить, что большинство наших более поздних экспериментов могут быть реализованы на рабочем месте, удаленном от СЗМ (dh = 10-20 мм), где ba все еще может достигать 30 тонн или 2 Т / м.
Кроме того, способность системы M 3 RA к динамическому реагированию также является критическим фактором в реализации масштабного управления миниатюрными роботами. При приведении в действие вращающимся фоном магнитное поле выражается как bb (t) = bb [cos (ω t) e x - sin (ω t) e z] на плоскости (x, z), и СЗМ будет вращаться вокруг оси y со средним угловымскорость ω из-за магнитного момента. Динамические характеристики системы могут быть измерены на основе закона электромагнитной индукции Фарадея с помощью самодельной установки (рис. 2F). Рисунок 2G показаны результаты, полученные в результате исследований процесса эволюции угловой частоты ω с использованием метода, проиллюстрированного на фиг. S4. Результаты эксперимента показали, что когда ω была ниже определенной частоты ωc, SPM синхронно следовал за вращающимся фоновым магнитным полем; однако, когда ω> ωc, SPM больше не поспевал за вращающимся магнитным полем и резко останавливался. Обычно ωc называется предельной/критической частотой.
Дальнейший анализ, как показано на рис. 2H, показывает очень существенное линейное изменение частоты среза ωc при изменении напряжения возбуждения V катушки фонового магнитного поля. Примечательно, что при максимальном напряжении возбуждения системы M3 RA до 32 В частота среза SPM достигла поразительных 200 Гц, при этом потребляемая системой энергия составляет всего около 10 Вт (одна катушка), что трудно реализовать существующим устройством из-за полосы пропусканияограничения или инерция ограничивают (42). Следующий раздел обзора посвящен изотропному фактору и надежности характеристик движения СЗМ путем измерения ωc СЗМ при вращении в разных направлениях (θ s определено на фиг. S5) при движении с помощью одной и той же V-образной катушки. Результаты (рис. 2I) показал хорошую согласованность для максимальной скорости вращения SPM во всех направлениях, несмотря на некоторые незначительные колебания из-за нижней опоры с неравномерной плавностью, что продемонстрировало его превосходную управляемость и повторяемость.
Контролируемая деформация SMFR
Подобно каплям воды в природе, SMFR может пассивно приспосабливаться к окружающей среде, сохраняя ту же форму, что и контейнер. Благодаря своей уникальной магнитной чувствительности SMFR способен активно деформироваться за счет программирования распределения внешнего магнитного поля (43). Например, когда приложено горизонтально поляризованное магнитное поле, SMFR растягивается для достижения состояния равновесия вместе с ориентацией внешнего поля вследствие конкуренции между его внутренними магнитными силами и поверхностным натяжением (рис. 3А). Хорошо известно, что внутренние магнитные силы, действующие на феррожидкостную каплю, могут быть выражены тензором напряжений Максвелла, обозначаемым как τ max, и задается как (44): τ max= − Μb2i/2+ ΜBB, где μ - проницаемость феррожидкостей. I представляет собой единичную матрицу. Первый член в правой части содержит поверхностную силу, которая является источником удлиненного растяжения. В этом случае деформация SMFR может быть охарактеризована числами магнитной связи (45) как
β0=μ0B2r0/2σ
(1)
где σ - коэффициент поверхностного натяжения, μ0 - проницаемость вакуума, а r0 - радиус SMFR в нулевых полях. β 0 может характеризовать изменение формы SMFR: чем меньше β 0, тем более сферическим будет SMFR. Поэтому, в соответствии с общими ожиданиями, более значительные удлинения будут вызваны более крупными каплями или большей напряженностью поля.
Как было продемонстрировано ранее, система M3RA может генерировать настраиваемое магнитное поле путем регулировки положения и /или ориентации SPM, что означает, что направлением растяжения и величиной SMFR можно хорошо управлять путем регулирования ориентации SPM и расстояния между SPM и SMFR (dh), соответственно. Здесь величина растяжения представлена отношением (a/b) длинной оси (a) и короткой оси (b). На рисунке 3B показана деформируемость SMFR, изменяющаяся от микрометрового до сантиметрового масштаба в зависимости от dh. Из собранных результатов видно, что, будучи ограниченным меньшим размером, micro-FR способен лишь незначительно деформироваться по сравнению с milli-FR, который может растягиваться более чем на четверть своего первоначального радиуса. Кроме того, стоит отметить, что centi-FR не обладает наибольшей деформируемостью, но находится где-то посередине между лучшими и худшими. Это связано с тем, что по мере увеличения объема SMFR на него все более явно влияет сила градиента магнитного поля, которая заставляет обогащать феррожидкость вблизи СЗМ. Кроме того, эквалайзер. S2 (см. Примечание S3) показывает более быстрое уменьшение градиента поля в результате расстояния, а не напряженности поля.
Следовательно, вырожденная деформируемость возникает только тогда, когда робот находится достаточно близко к СЗМ, что также объясняет, почему в течение первой половины кривых магнитная интенсивность сильнее, но SMFR с меньшей вероятностью деформируются. В качестве демонстрации на рис. 3C (видеоролик S1) показано, что величиной деформации milli-FR можно хорошо управлять, настраивая dh. Кроме напряженности магнитного поля, содержание наночастиц также сильно влияет на магнитную деформируемость SMFR. На рисунке S6A показано, что деформируемость SMFRs зависит от содержания в них магнитных наночастиц, что указывает на положительную корреляцию между ними: Чем выше концентрация магнитных наночастиц, тем сильнее деформируемость и магнитная чувствительность SMFR. Согласно экспериментальным результатам, когда массовая доля наночастиц составляет менее 20%, SMFR становится нечувствительным к магнитным полям с незначительной деформацией (a/b < 2) в нашей системе. Кроме того, контроль направления деформации SMFR также имеет большое значение для обеспечения его прохождения через специально ориентированные узкие зазоры. Например, фиг. 3D и видеоролик S1 демонстрируют, что направление растяжения milli-FR можно косвенно регулировать, регулируя ориентацию SPM посредством пространственно-временного программирования магнитного поля. Производительность управления углом растяжения показана на фиг. S6B: средняя и максимальная погрешность по всем измерениям угла во время этого эксперимента составляют 1,32° и 5,7° соответственно, что сопоставимо с предыдущей работой, где в качестве системы приведения в действие использовалась только электромагнитная сила (18).
Передвижение SMFR
Как обсуждалось ранее, магнитные роботы микромасштабов более чувствительны к магнитному моменту, чем к магнитной силе. Поэтому более эффективно приводить в действие этих роботов в режиме качения с использованием вращающегося магнитного поля. В этом случае micro-FR всегда стремится следовать за вращающимся магнитным полем со средней угловой скоростью ω FR. После контакта с подложкой видимая вязкость участка, обращенного к твердой поверхности, увеличилась, что позволило micro-FR стать ходоком по поверхности со средней скоростью перемещения v (рис. 4Ai). Подобно СЗМ во вращающемся фоновом магнитном поле, скорость вращения micro-FR линейно и монотонно увеличивается с возрастанием частоты возбуждающего магнитного поля, пока не превысит частоту среза ωFRc.
На основе приведенных выше результатов эксперимента и анализа можно точно контролировать скорость и положение микро-FR для отслеживания сложных траекторий. Однако перед этим мы должны сначала устранить влияние магнитной градиентной силы. Более конкретно, хотя сила магнитного градиента не может привести к эффективному приведению в действие micro-FR, она может кумулятивно влиять на траекторию его движения. Следовательно, часто существует статическая ошибка δd для контроллера с разомкнутым контуром. Как показано на рис. S7 (A, C и D), по сравнению с первым контуром, траектория отслеживания второго контура имеет очевидные отклонения с более существенной средней ошибкой отслеживания и диапазонами ошибок (измеряется евклидовым расстоянием). Для решения этой сложной апории, как показано на рис. Здесь был представлен контроллер с замкнутым контуром S8, основанный на зрении. Рисунок 4 (B и C) и рис. На S7B показано, что траектории движения и анализ ошибок micro-FR при отслеживании круговой траектории с помощью контроллера с замкнутым контуром, которые, напротив, являются более точными и воспроизводимыми. На основе этих усовершенствований и усовершенствований micro-FR способен быстро и точно отслеживать более сложные траектории. Как показано на рис. 4D и movie S2, micro-FR диаметром 10 мкм рисует традиционную китайскую иероглифическую траекторию со скоростью ≈5 мкм / с. Средние значения и SDs результатов отслеживания показаны на фиг. S9. Хотя эти траектории являются сложными из-за их экстремальных изгибов и сложных форм, робот все равно может стабильно следовать по ним с погрешностью отклонения траектории в пределах 0,2 ± 0,152 от длины тела.
Обращаясь теперь к экспериментальным данным по milli-FR, ситуация иная. Более ранний анализ показал, что с увеличением диаметра SMFRs эффективность его вращения за счет магнитного момента снижается, что приводит к небольшому ωFRc. С другой точки зрения, увеличение размера делает объемное усилие, испытываемое milli-FR, более очевидным и позволяет ему работать с помощью магнитной градиентной силы. В любом случае milli-FR может приводиться в действие как магнитным крутящим моментом, так и силой магнитного градиента, как показано схемами на фиг. 4Aii. На рисунке 4 (E и F) (см. Ролик S3) показано, что миллифр (≈1.5 мм) управляется для пересечения лабиринта или следования по спиральной траектории под действием магнитной градиентной силы или магнитного крутящего момента соответственно. Однако в ходе экспериментов мы обнаружили, что метод приведения в действие, основанный исключительно на силе магнитного градиента, требует небольшого расстояния приведения в действие dh (<8 мм в нашей системе). В противном случае это обычно приводит к отказу; что касается метода приведения в действие, основанного исключительно на магнитном моменте (когда ступень с двигателем заблокирована), хотя он обеспечивает более значительное расстояние срабатывания (d a ≈ 25 мм), зона досягаемости робота ограничена ≈30 мм, крайним краем спиральной линии на рис. 4F.
Чтобы устранить эти ограничения, мы предлагаем метод эффективного приведения в действие milli-FR в широком диапазоне за счет одновременного использования магнитной силы и магнитного момента на основе системы M 3 RA (рис. 4Aii). Как показано на рис. 4G и movie S3, мы управляли навигацией milli-FR в гидрогелевом лабиринте с расстоянием срабатывания da = 25 мм. Для сравнения мы сначала использовали магнитную силу, чтобы перетащить milli-FR по запланированной траектории, отрегулировав положение SPM ниже. Однако milli-FR быстро отстал от SPM из-за сильно ослабленной силы магнитного градиента и трения о подложку. Во второй попытке мы поворачивали SPM и перемещали одновременно, используя контроллер PID (пропорционально-интегральная производная) для управления направлением перемещения milli-FR и другой контроллер PID для регулировки положения SPM путем перемещенияэтап x-y, гарантирующий, что milli-FR всегда находился в надлежащем объеме. Таким образом, milli-FR может проходить через большой сложный лабиринт более плавно, при этом средняя и максимальная ошибка прохождения пути в общих экспериментах составляет всего 1,2 и 3 мм соответственно. Наблюдались постоянные отклонения от траектории, которые, возможно, были вызваны импульсом, который набирал робот, когда он ускорялся на определенных участках трассы. Другие возможные объяснения могут включать неоднородную плоскостность лабиринта и граничный эффект, когда milli-FR приближается к стене лабиринта.
Centi-FR имел самую низкую эффективность приведения в действие вращающимся магнитным полем, а его каплеобразная форма легко разрушалась динамическим магнитным полем (46). Поэтому не желательно приводить в действие centi-FR с помощью магнитного момента. Напротив, как обсуждалось ранее, большой объем всегда приводит к большой магнитной силе, что указывает на то, что сила магнитного градиента позволяет более эффективно управлять движением centi-FRs. Поэтому мы можем использовать эффект сопротивления магнитной градиентной силы и эффект изменения формы магнитного крутящего момента для реализации навигации centi-FR в неструктурированных средах (рис. 4Aiii). Как показано на рис. 4H и movie S4, путем одновременного программирования ориентации и положения SPM можно создать типичный сантиметр (диаметром ≈10 мм) для деформации и заполнения узкого канала, а затем протиснуться через зазор (шириной ≈2 мм) под действием силы магнитного градиента. Кроме того, переориентируя и перемещая SPM, centi-FR наделяется способностью преодолевать препятствия. Как показано на рис. 4I и видеоролик S4, при столкновении с выпуклым барьером ориентация SPM была отрегулирована так, чтобы указывать вертикально (стоячее состояние), что приводило к вертикальной деформации сантиметра, при этом общая высота была намного выше, чем препятствия. В этом случае, как только SPM был восстановлен в лежачее состояние во время продвижения, centi-FR преодолел препятствия. Наши экспериментальные результаты показывают, что centi-FR может преодолевать барьеры высотой до 2,5 мм, которые невозможно преодолеть только за счет силы магнитного градиента (см. рис. S10 и фильм S4). Эти способности потенциально позволяют контролировать передвижение centi-FR по неровным поверхностям, таким как кишечник и полость желудка человека.
По материалам сайта https://www.science.org/
Комментарии
Отправить комментарий