徐天添研究員，常用一句話描述自己的研究內容，“如何將一名外科醫(yī)生塞進體內完成各種手術？”

從博士開始，她便從事微型機器人領域的研究，現(xiàn)為中國科學院深圳先進技術研究院研究員，博導。研究領域為磁控微型機器人導航與路徑跟隨、微型機器人的多模態(tài)運動、軟體薄膜微型機器人、機器人的協(xié)同控制。

在磁驅動微型機器人方向展開長期系統(tǒng)性研究，她優(yōu)化設計提高了微型機器人的運動效率，解決了軟體微型機器人的多模態(tài)運動問題，建立了微型機器人的自主路徑規(guī)劃與視覺伺服運動控制方法，并在生物醫(yī)學方面開展應用研究。

在雷峰網GAIR2021機器人論壇現(xiàn)場，諸位大咖紛紛提到延遲響應成為醫(yī)學機器人的通病。

在徐天添看來，速度的延遲或許能夠變成另一種技術優(yōu)勢。利用微型機器人的速度差，并最大化機器人之間的速度差，從而讓多機器人“分頭行動”，實現(xiàn)微型機器人的精準靶向治療。

會上，徐天添以《面向靶向治療的磁驅動微型機器人運動控制》為題，結合自身研究經歷梳理了微型機器人的發(fā)展歷程、微型機器人的醫(yī)學應用前景以及最新研究。

以下為演講內容，醫(yī)健AI掘金志做了不改變原意的整理和編輯：

機器人研究始于上世界60、70年代，主要圍繞大型工業(yè)機器人、手術機器人、特種機器人而展開。近兩年，我們逐漸在《Science》《Nature》以及子刊上看到微型機器人：一種是有線驅動的機器人，比如仿生蟑螂、仿生小蟲子這種分米級、厘米級的機器人；一種是無線驅動的電場、磁場驅動的毫米級、微納米級的微型機器人。

我的研究就圍繞無線驅動的毫米級、微納米級的微型機器人而展開。

從廣義上講，幾納米到幾毫米的機器人都可以定義為微型機器人。微型機器人結構簡單，由螺線管、薄膜、線組成。

和傳統(tǒng)機器人最大的區(qū)別，微型機器人體積太小，無法一體化集成傳感器系統(tǒng)、驅動器系統(tǒng)、計算系統(tǒng)，所以一般采用外部驅動系統(tǒng)，如磁場；外部傳感系統(tǒng)，如相機、超聲。

無線驅動的微型機器人系統(tǒng)：由外部驅動設備、外部傳感器、機器人本體及環(huán)境組成

從21世紀開始，隨著微加工技術越來越好，螺旋型微型機器人越做越小。后來，隨著高分子材料技術的發(fā)展，螺旋微型機器人變成軟體微型機器人，并推動軟體機器人從單一的運動模態(tài)發(fā)展成多種運動模態(tài)。

總體來看，微型機器人的發(fā)展趨勢，也是我自己的研究趨勢：

即從剛性本體到柔性本體、從開環(huán)控制到閉環(huán)控制、從單一運動模態(tài)到多種運動模態(tài)、從單個機器人到多個機器人的控制。

微型機器人有非常大的應用前景，可用于體內、血管內、腔道內的靶向治療，比如胃腸出血。

傳統(tǒng)治療方法是在靜脈注射凝血藥，但會面臨在腦部細小血管處形成血栓的風險。如果選用內載創(chuàng)口貼藥物的微型機器人，由它游動到胃腸道內部精準治療，將有效避免血栓風險。

微型機器人研究可以歸納為三個問題：

如何讓微型機器人在體內動起來？

如何讓它們按照既定路徑運動？

如何讓它們適應體內的復雜環(huán)境？

在自然界中，有兩種運動可以提供一些靈感：一個是精子的柔性震動，一個是大腸桿菌的螺旋性運動。

通過這兩種運動，我們制作了兩種微型仿生機器人：一種是在震蕩磁場下用震動產生推力，另外一種是在旋轉磁場下用螺旋形尾巴一邊轉一邊往前走，即螺旋型微型機器人。

最初，我們做出一個磁性微型機器人，用電磁線圈制成一個均勻磁場和梯度磁場，保證物體的磁化方向沿著磁場方向找齊，從而拉動機器人前進。

電磁線圈驅動的磁性微型機器人模型

隨后，我在博士期間（2010年到2014年）又做了一系列工作，希望將機器人的運動做成閉環(huán)運動。

這就是微型機器人的第二個問題：如何讓它們按照既定路徑運動。

首先，我搭建了一個三維線圈，保證空間內任何一個方向都可以產生均勻磁場，并依靠編程電流產生各種不同的復雜磁場，比如震蕩磁場、旋轉磁場、錐星磁場，從而控制機器人生成一些復雜的運動。

在磁場外部，我加了一個立體視覺系統(tǒng)，安置了兩個攝像頭，通過俯視圖和側視圖做成一個三維視覺重建：通過兩個機器人的軸向來重建三維坐標空間里的軸向方向和三維軸向空間里中心點的定位。比如螺旋機器人在旋轉時，我們可以實時跟蹤到它中心點的運動軌跡以及它的俯仰角和前進角。

磁性微型機器人路徑跟蹤控制

之后我們想給機器人做一個路徑跟蹤控制，類似讓機器人“自動駕駛”：我給它畫一個軌跡，它可以自動沿著軌跡走。

我們寫出運動狀態(tài)方程，一個非線性的方程，一個是線性方程。

線性方程有兩個誤差：一個是距離誤差，即微型機器人到參考路徑的距離誤差；一個是角度誤差，即微型機器人的前進方向與到路徑上最近點的切線方向的角度誤差。

如果這兩個誤差都為0，就證明這個機器人在此刻和未來時刻會繼續(xù)沿著參考路徑運動。

實驗表明，閉環(huán)控制可以讓螺旋型機器人中心點永遠保持在參考路徑上。

我回國以后（2014年畢業(yè)于巴黎第六大學 ），開始將微型機器人向軟體化方向發(fā)展。

起初，我們要在生物體內做一系列軟體機器人實驗。結果表明，軟體機器人對生物組織非常友好，接觸輕柔，不會給器官造成一些損害。

隨后，我們在硅膠薄膜中摻了一些磁性顆粒，做了一個比較巧妙的磁場方向，保證機器人在旋轉的磁場里作螺旋形運動，并逐步實現(xiàn)三維自動駕駛，保證機器人在任意空間里的路徑被跟蹤、被控制。

但是軟體機器人也存在一個問題：由于形狀不固定，機器人的中心點位置計算復雜，需要用移動平均值的方法來計算中心點位置，以及用中心點移動方向的位置來代替機器人的軸，從而找到一個確定的機器人軸向。

因此，我們想做一個三維路徑跟蹤控制。它有兩個控制環(huán)：

一個是控制微型薄膜的前進方向，保證這個薄膜始終保持在三維路徑上。我們的參考路徑用了一個路徑微分法，可以針對任意路徑都實現(xiàn)路徑跟蹤。

另外是改變了磁化方向，只把機器人的軸部做了磁化。在不同的磁場中，機器人做不同的運動狀態(tài)。

比如在錐形的磁場中，機器人做螺旋型運動；

在上下震動的磁場中，機器人做爬行運動；

在水平震動的磁場中，機器人做水蛇樣擺動；

在旋轉磁場中，機器人做滾動運動。

我們給這些運動建模，看機器人的運動速度和物理性征的關系，比如磁場頻率、長度、爬行運動、擺動運動、滾動運動、螺旋性運動等。

多模態(tài)運動的磁性軟體薄膜微型機器人

為什么要讓它做多模態(tài)運動呢？

最大的好處是讓微型機器人適用復雜環(huán)境。

如果是螺旋形運動，機器人只能穿過比它直徑更大的縫隙。但如果是擺動運動，機器人則會穿越非常狹窄的縫隙。

另外，如果改變材料，機器人能夠輕松變大或變小，將為我們開啟更大的想象空間。

比如用了溫敏水凝膠材料的微型機器人，它在光熱作用下可以失水到自身體積的35%，可以輕松穿過比自身原始尺寸更小的縫隙。而且，這種溫敏水凝膠失水的特性也可以用作靶向藥薄膜，通過失水釋放一些水溶性藥物出來，起到緩釋的效果。目前我們這項研究是發(fā)表在了材料領域的《AFM》期刊上。

隨后，我們繼續(xù)推進了薄膜機器人的應用研究。

我們找到一種特殊薄膜，當它沒被磁化時，呈十字形平整狀；加磁場后，薄膜鼓起來。

我們用這種薄膜制成了一個十字形薄膜機器人，可以控制它的運動軌跡，搬運一些比較小的物體。

而且這種薄膜機器人有兩種運動模式：一種是仿水母模式，用于空載；一種是加震蕩的磁場，像一個鏟車抓手，用于搬運。在醫(yī)學應用中，這種薄膜機器人可以做一些細胞篩選的工作。

傳統(tǒng)細胞篩選的方法是醫(yī)生邊看顯微鏡邊拿探針手動篩選，重復性高、精度要求高。但如果用微型機器人做細胞篩選，我們只需要在屏幕上點一點，就可以啟動它們自動化運動。

目前，我們在推進多機器人的協(xié)同控制工作。

這項工作難度非常大。因為同一個磁場下，磁微型機器人所受的控制相同，如何讓某一個機器人單獨行動，擁有不同的運動速度和運動位置，其實就是讓不同的機器人解耦。

目前我們有幾種解決方法：

第一種是給磁性微型機器人做不一樣的震蕩頻率，比如做多個線圈、做立體空間的磁式陷阱、或者通過粒子碰壁做一些位置控制。

但這種方法還有一個難題：機器人之間速度關聯(lián)，我們很難對某個機器人獨立控制。

第二種方法，改變機器人的磁化角。

當某一個機器人在磁場的某一時刻速度為0，并持續(xù)一段時間，我們就可以利用速度為0的這一段時間，塞入另外一個具有一定速度的微型機器人，從而成功實現(xiàn)不同機器人的速度解耦。

理論上，我們可以做四個在特定時刻完全解耦的微型機器人。

多磁驅動微型機器人的獨立位置控制和路徑跟隨控制

動圖展示

我們現(xiàn)在已經實現(xiàn)了多個微型機器人的獨立控制，未來我們希望實現(xiàn)多個機器人之間的位置控制和路徑控制，并逐步由多模態(tài)操縱它們，最終實現(xiàn)閉環(huán)控制，由微型機器人實現(xiàn)精準靶向治療。

以上是我的分享，謝謝大家！

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