有哪些 中科院先进院徐天添 走进人体的微型机器人 能与不能 (有哪些中科院建筑学部院士?)

徐天添研究员，常用一句话描述自己的研究内容，“如何将一名外科医生塞进体内完成各种手术？”

从博士开始，她便从事微型机器人领域的研究，现为中国科学院深圳先进技术研究院研究员，博导。研究领域为磁控微型机器人导航与路径跟随、微型机器人的多模态运动、软体薄膜微型机器人、机器人的协同控制。

在磁驱动微型机器人方向展开长期系统性研究，她优化设计提高了微型机器人的运动效率，解决了软体微型机器人的多模态运动问题，建立了微型机器人的自主路径规划与视觉伺服运动控制方法，并在生物医学方面开展应用研究。

在GAIR2021机器人论坛现场，诸位大咖纷纷提到延迟响应成为医学机器人的通病。

在徐天添看来，速度的延迟或许能够变成另一种技术优势。利用微型机器人的速度差，并最大化机器人之间的速度差，从而让多机器人“分头行动”，实现微型机器人的精准靶向治疗。

会上，徐天添以 《面向靶向治疗的磁驱动微型机器人运动控制》 为题，结合自身研究经历梳理了微型机器人的发展历程、微型机器人的医学应用前景以及最新研究。

以下为演讲内容，医健AI掘金志做了不改变原意的整理和编辑：

机器人研究始于上世界60、70年代，主要围绕大型工业机器人、手术机器人、特种机器人而展开。近两年，我们逐渐在《Science》《Nature》以及子刊上看到微型机器人：一种是有线驱动的机器人，比如仿生蟑螂、仿生小虫子这种分米级、厘米级的机器人；一种是无线驱动的电场、磁场驱动的毫米级、微纳米级的微型机器人。

我的研究就围绕无线驱动的毫米级、微纳米级的微型机器人而展开。

从广义上讲，几纳米到几毫米的机器人都可以定义为微型机器人。微型机器人结构简单，由螺线管、薄膜、线组成。

和传统机器人最大的区别，微型机器人体积太小，无法一体化集成传感器系统、驱动器系统、计算系统，所以一般采用外部驱动系统，如磁场；外部传感系统，如相机、超声。

无线驱动的微型机器人系统：由外部驱动设备、外部传感器、机器人本体及环境组成

从21世纪开始，随着微加工技术越来越好，螺旋型微型机器人越做越小。后来，随着高分子材料技术的发展，螺旋微型机器人变成软体微型机器人，并推动软体机器人从单一的运动模态发展成多种运动模态。

总体来看，微型机器人的发展趋势，也是我自己的研究趋势：

即从刚性本体到柔性本体、从开环控制到闭环控制、从单一运动模态到多种运动模态、从单个机器人到多个机器人的控制。

微型机器人有非常大的应用前景，可用于体内、血管内、腔道内的靶向治疗，比如胃肠出血。

传统治疗方法是在静脉注射凝血药，但会面临在脑部细小血管处形成血栓的风险。如果选用内载创口贴药物的微型机器人，由它游动到胃肠道内部精准治疗，将有效避免血栓风险。

微型机器人研究可以归纳为三个问题：

如何让微型机器人在体内动起来？

如何让它们按照既定路径运动？

如何让它们适应体内的复杂环境？

在自然界中，有两种运动可以提供一些灵感：一个是精子的柔性震动，一个是大肠杆菌的螺旋性运动。

通过这两种运动，我们制作了两种微型仿生机器人：一种是在震荡磁场下用震动产生推力，另外一种是在旋转磁场下用螺旋形尾巴一边转一边往前走，即螺旋型微型机器人。

最初，我们做出一个磁性微型机器人，用电磁线圈制成一个均匀磁场和梯度磁场，保证物体的磁化方向沿着磁场方向找齐，从而拉动机器人前进。

电磁线圈驱动的磁性微型机器人模型

随后，我在博士期间（2010年到2014年）又做了一系列工作，希望将机器人的运动做成闭环运动。

这就是微型机器人的第二个问题：如何让它们按照既定路径运动。

首先，我搭建了一个三维线圈，保证空间内任何一个方向都可以产生均匀磁场，并依靠编程电流产生各种不同的复杂磁场，比如震荡磁场、旋转磁场、锥星磁场，从而控制机器人生成一些复杂的运动。

在磁场外部，我加了一个立体视觉系统，安置了两个摄像头，通过俯视图和侧视图做成一个三维视觉重建：通过两个机器人的轴向来重建三维坐标空间里的轴向方向和三维轴向空间里中心点的定位。比如螺旋机器人在旋转时，我们可以实时跟踪到它中心点的运动轨迹以及它的俯仰角和前进角。

磁性微型机器人路径跟踪控制

之后我们想给机器人做一个路径跟踪控制，类似让机器人“自动驾驶”：我给它画一个轨迹，它可以自动沿着轨迹走。

我们写出运动状态方程，一个非线性的方程，一个是线性方程。

线性方程有两个误差：一个是距离误差，即微型机器人到参考路径的距离误差；一个是角度误差，即微型机器人的前进方向与到路径上最近点的切线方向的角度误差。

如果这两个误差都为0，就证明这个机器人在此刻和未来时刻会继续沿着参考路径运动。

实验表明，闭环控制可以让螺旋型机器人中心点永远保持在参考路径上。

我回国以后（2014年毕业于巴黎第六大学 ），开始将微型机器人向软体化方向发展。

起初，我们要在生物体内做一系列软体机器人实验。结果表明，软体机器人对生物组织非常友好，接触轻柔，不会给器官造成一些损害。

随后，我们在硅胶薄膜中掺了一些磁性颗粒，做了一个比较巧妙的磁场方向，保证机器人在旋转的磁场里作螺旋形运动，并逐步实现三维自动驾驶，保证机器人在任意空间里的路径被跟踪、被控制。

但是软体机器人也存在一个问题：由于形状不固定，机器人的中心点位置计算复杂，需要用移动平均值的方法来计算中心点位置，以及用中心点移动方向的位置来代替机器人的轴，从而找到一个确定的机器人轴向。

因此，我们想做一个三维路径跟踪控制。它有两个控制环：

一个是控制微型薄膜的前进方向，保证这个薄膜始终保持在三维路径上。我们的参考路径用了一个路径微分法，可以针对任意路径都实现路径跟踪。

另外是改变了磁化方向，只把机器人的轴部做了磁化。在不同的磁场中，机器人做不同的运动状态。

比如在锥形的磁场中，机器人做螺旋型运动；

在上下震动的磁场中，机器人做爬行运动；

在水平震动的磁场中，机器人做水蛇样摆动；

在旋转磁场中，机器人做滚动运动。

我们给这些运动建模，看机器人的运动速度和物理性征的关系，比如磁场频率、长度、爬行运动、摆动运动、滚动运动、螺旋性运动等。

多模态运动的磁性软体薄膜微型机器人

为什么要让它做多模态运动呢？

最大的好处是让微型机器人适用复杂环境。

如果是螺旋形运动，机器人只能穿过比它直径更大的缝隙。但如果是摆动运动，机器人则会穿越非常狭窄的缝隙。

另外，如果改变材料，机器人能够轻松变大或变小，将为我们开启更大的想象空间。

比如用了温敏水凝胶材料的微型机器人，它在光热作用下可以失水到自身体积的35%，可以轻松穿过比自身原始尺寸更小的缝隙。而且，这种温敏水凝胶失水的特性也可以用作靶向药薄膜，通过失水释放一些水溶性药物出来，起到缓释的效果。目前我们这项研究是发表在了材料领域的《AFM》期刊上。

随后，我们继续推进了薄膜机器人的应用研究。

我们找到一种特殊薄膜，当它没被磁化时，呈十字形平整状；加磁场后，薄膜鼓起来。

我们用这种薄膜制成了一个十字形薄膜机器人，可以控制它的运动轨迹，搬运一些比较小的物体。

而且这种薄膜机器人有两种运动模式：一种是仿水母模式，用于空载；一种是加震荡的磁场，像一个铲车抓手，用于搬运。在医学应用中，这种薄膜机器人可以做一些细胞筛选的工作。

传统细胞筛选的方法是医生边看显微镜边拿探针手动筛选，重复性高、精度要求高。但如果用微型机器人做细胞筛选，我们只需要在屏幕上点一点，就可以启动它们自动化运动。

目前，我们在推进多机器人的协同控制工作。

这项工作难度非常大。因为同一个磁场下，磁微型机器人所受的控制相同，如何让某一个机器人单独行动，拥有不同的运动速度和运动位置，其实就是让不同的机器人解耦。

目前我们有几种解决方法：

第一种是给磁性微型机器人做不一样的震荡频率，比如做多个线圈、做立体空间的磁式陷阱、或者通过粒子碰壁做一些位置控制。

但这种方法还有一个难题：机器人之间速度关联，我们很难对某个机器人独立控制。

第二种方法，改变机器人的磁化角。

当某一个机器人在磁场的某一时刻速度为0，并持续一段时间，我们就可以利用速度为0的这一段时间，塞入另外一个具有一定速度的微型机器人，从而成功实现不同机器人的速度解耦。

理论上，我们可以做四个在特定时刻完全解耦的微型机器人。

多磁驱动微型机器人的独立位置控制和路径跟随控制

我们现在已经实现了多个微型机器人的独立控制，未来我们希望实现多个机器人之间的位置控制和路径控制，并逐步由多模态操纵它们，最终实现闭环控制，由微型机器人实现精准靶向治疗。

以上是我的分享，谢谢大家！

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