小型机器人的磁滞振荡定位

工程学 电气工程 信息科学 电子信息 自动化 生物工程 生命科学
小型机器人 磁滞振荡 无线定位 生物医疗 实时控制

详解小规模磁振荡定位新方法及其在机器人技术中的应用

研究背景及动机

微型机器人在医学领域显示出了巨大的潜力，特别是在微创手术、靶向药物递送和体内传感等方面。近期，通过无线动力和驱动纳米至毫米规模机器人在生物环境中取得了显著进展。然而，这些微型机器人的实时定位，特别是在深层生物组织内的定位，仍然是一个亟待解决的技术难题。传统的医学成像技术，如磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）和正电子发射断层扫描（PET），虽然在空间分辨率上具有优势，但由于刷新率低或放射性问题，不适合持续跟踪移动机器人。此外，现有的静态磁性定位方法，在某些场景中最高可以实现五自由度（DOF）的定位，但由于磁轴周围的旋转对称性而无法实现完整的六自由度定位。因此，开发一种能够在深层生物组织内实现微米级精度、六自由度的实时无线定位方法，成为了这项研究的主要动机。

来源及作者信息

该论文发表在npj Robotics期刊上，研究题目为“Small-scale magneto-oscillatory localization for small-scale robots”。DOI为10.1038/s44182-024-00008-x。主要作者包括F. Fischer (DKFZ), C. Gletter（University of Stuttgart）、M. Jeong（University of Stuttgart）及T. Qiu（DKFZ）。文章于2024年在Nature系列期刊npj Robotics上发表。

研究详细过程

研究流程

这项研究提出了小规模磁振荡定位（Small-scale Magneto-Oscillatory Localization, SMOL）方法，通过一个附着有有限磁偶极子的机械谐振悬臂，实现六自由度的无线实时定位。SMOL方法利用磁偶极子的机械振荡，打破了传统单永磁体的旋转对称性，从而实现全六自由度的定位。

  1. SMOL装置设计与原理：SMOL装置由一悬臂结构和附着的磁偶极子组成。悬臂在外加磁场作用下产生机械振荡，这种振荡被多传感器阵列捕获，并通过拟合物理模型进行解码，得到位置和姿态信息。

  2. 激励与传感单元设计：激励单元由一对垂直布置的平面线圈组成，用于生成正交平面的交变磁场。传感单元为一个磁传感器阵列，采集由振荡磁体产生的复杂磁信号。悬臂结构振荡时，磁体产生的多重频率信号被传感器捕获，通过拟合磁场模型，获得SMOL装置的六自由度信息。

  3. 振荡模式与信号处理：悬臂的机械振荡频率由悬臂的材料和几何性质决定。通过傅里叶变换（DFT）及信号滤波，提取可靠的振荡信号，并利用Levenberg-Marquardt优化算法，在物理模型下进行解码。

  4. 精度与定位深度实验：针对位置和姿态进行模拟与实验对比，验证SMOL方法的定位精度和适用深度。在不同的环境中进行实际测量，以评估其在不同阻尼系数下的性能表现。

研究结果

  1. 全六自由度定位：SMOL方法通过复合多传感器数据，精准解码出装置在三维空间内的三自由度位置（x, y, z）和三自由度姿态（俯仰、偏航、滚转）。实验结果表明，在距离传感器阵列80 mm的情况下，位置精度达到亚毫米级，甚至可细化到100微米以下；姿态精度达到亚1度。

  2. 宽适用范围与环境兼容：该方法适用于多种物理边界条件，包括固体边界、粘弹性介质及液体边界。相较于传统方法，SMOL在高阻尼环境（如生物软组织）中的性能有显著提升。

  3. 实时闭环控制：SMOL装置可快速与微型机器人集成，实现实时闭环控制。在实验中，使用梯度磁场与旋转磁场分别驱动微型机器人，使之在粘弹性介质中运动，并通过SMOL实现精确路径跟踪与方向控制。

研究价值与意义

科学价值：SMOL方法为小尺寸机器人实现了无线、实时、全六自由度的定位，解决了传统定位方法在精度和自由度上的限制，推动了微型机器人在生物医疗领域的应用。

应用价值：该方法具有显著的实用潜力，可广泛应用于微创手术中的工具导航、靶向药物递送及体内监测等领域。由于SMOL方法的高精度和实时性能，未来在医疗临床中的应用前景广阔。

研究亮点

  1. 小尺寸高精度：通过机械振荡实现亚毫米级位置和亚度级姿态的六自由度定位，适合集成在微型机器人和医疗器械中。

  2. 宽适用范围：SMOL方法设计简单，能够在多种边界条件下稳定工作，适应多种生物医疗场景。

  3. 实时性能：采用独特的频率响应特性，避免了低频干扰，实现高信噪比定位，可与微型机器人及手术工具进行实时闭环控制。

其他重要信息

论文详细介绍了SMOL方法的数学模型、实验设备设计和实验程序，并提供了基于数值模拟和实际测量的系统性能验证。设计与验证过程的详细信息包括线圈设计、传感器布置及数据处理算法等，均在补充材料中进一步阐述。此外，研究团队还进行了实际的生物样品测试，验证了SMOL方法在真实生物组织中的有效性与适用性。

结论

SMOL方法通过创新的磁振荡定位技术，实现了小规模机器人在深层生物组织中的全六自由度定位。这一方法不仅在科学研究中具有较高的探索价值，也为实际医疗应用提供了新的技术路径。研究结果表明，SMOL方法在诊疗设备的即时定位和导航中，具有显著的应用前景和发展潜力。