哈工大張廣玉、李隆球教授：在磁控微納機器人研究方面取得新進展

【成果簡介】

哈爾濱工業大學機電學院張廣玉、李隆球教授和加州大學圣地亞哥分校約瑟夫·王教授合作，近期在磁控微納機器人研究中取得重要進展。相關研究成果“磁場驅動自由泳式納米馬達”（Highly Efficient Freestyle Magnetic Nanoswimmer）和“自主導航微納機器人”（Autonomous Collision-Free Navigation of Microvehicles in Complex and Dynamically Changing Environments）分別發表在國際著名學術期刊納米快報（Nano Letters, 2017, 17, 5092-5098, SCI IF: 12.7）和美國化學學會納米（ACS Nano, 2017,11, 9268-9275, SCI IF: 13.9）上。兩篇文章的第一作者為青年教師李天龍博士，通訊作者為李隆球教授。

【圖片導讀】

圖1 用于微型車輛的自適應控制自動導航系統示意圖

（a）微型車自主導航系統示意圖

（b）微型車輛閉環反饋自主導航機構的整體工藝流程

圖2 自動導航微型車躲避靜止障礙物

（a-b）（a）沒有和（b）AI控制的情況下在遇到靜止障礙物時微觀運動的示意圖

【研究內容】

微納機器人是指在微納尺度上能夠將不同形式的能量轉化為機械運動的納米機器。由于其尺寸小、裝載能力強等特點，微納機器人有望橫穿生物組織，將在藥物靶向輸運和腫瘤精準治療等生物醫學領域有巨大的應用前景。然而，如何克服粘滯力實現高效輸送和在人體復雜環境中實現精準操控是藥物靶向必須面臨的兩大挑戰。該研究團隊通過采用仿生原理，首次發明了一種由振蕩磁場驅動的鎳-銀-金-銀-鎳多金屬復合結構納米機器人。該機器人直徑約為400nm，由多節柔性鉸鏈組成，可模擬游泳運動員“自由泳”雙臂交替運動形式在低雷諾數流體中快速移動，極大提高了磁驅納米機器人的運動效率。實驗測試發現該新型雙臂型納米機器人的運動速度可達到每秒60個身長，約為其他同類柔性納米機器人的10倍。該納米機器人不僅可以在水溶液中運動，還可以在血清等生物環境中進行快速運動，通過改變外源磁場的方向可以對機器人的運動方向進行精確控制。該研究成果為提升微納機器人的驅動效率和運載能力提供了新的研究思路。

為提升微納機器人在復雜人體環境中避障、導航與精準識別等能力，該研究團隊將人工智能技術引入到微納機器人運動控制中，發明了一種能夠在復雜環境中可實現精準導航的智能微納機器人。該智能微型機器人的全自動導航系統由圖像檢測與識別單元、人工智能控制器、磁場調控執行器組成。圖像檢測與識別單元為化學驅動的Janus微球機器人提供實時定位，同時通過檢測周圍環境為其規劃理想無碰撞的行駛路徑。傳統微納機器人控制方法主要通過手動或半自動方式進行調控，只能在二維或者三維空間內沿著預定的路徑朝特定的目標點運動，存在控制精度低、響應速度慢和智能化程度低等缺點。而該新型智能微納機器人則可在錯綜繁雜環境中自主規劃路徑、導航和躲避固定、移動障礙物，還能對目標對象及時識別，如可識別癌細胞和正常紅細胞等，因此，該智能機器人系統可應用于復雜生物體系中的診斷治療，具有廣泛的應用前景。

兩項研究成果得到國家自然科學基金、機器人技術與系統國家重點實驗室基金等項目資助。

原文鏈接：http://news.hit.edu.cn/d5/eb/c416a185835/page.htm

文獻鏈接：Autonomous Collision-Free Navigation of Microvehicles in Complex and Dynamically Changing Environments（ACS Nano,2017,DOI:10.1021/acsnano.7b04525）

Highly Efficient Freestyle Magnetic Nanoswimmer（Nano Letters,2017，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02383）

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