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

從博士開始，她便從事微型機(jī)器人領(lǐng)域的研究，現(xiàn)為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員，博導(dǎo)。研究領(lǐng)域?yàn)榇趴匚⑿蜋C(jī)器人導(dǎo)航與路徑跟隨、微型機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)、軟體薄膜微型機(jī)器人、機(jī)器人的協(xié)同控制。

在磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人方向展開長期系統(tǒng)性研究，她優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率，解決了軟體微型機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)問題，建立了微型機(jī)器人的自主路徑規(guī)劃與視覺伺服運(yùn)動(dòng)控制方法，并在生物醫(yī)學(xué)方面開展應(yīng)用研究。

在雷峰網(wǎng)GAIR2021機(jī)器人論壇現(xiàn)場，諸位大咖紛紛提到延遲響應(yīng)成為醫(yī)學(xué)機(jī)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(shù)優(yōu)勢。利用微型機(jī)器人的速度差，并最大化機(jī)器人之間的速度差，從而讓多機(jī)器人“分頭行動(dòng)”，實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的精準(zhǔn)靶向治療。

會(huì)上，徐天添以《面向靶向治療的磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制》為題，結(jié)合自身研究經(jīng)歷梳理了微型機(jī)器人的發(fā)展歷程、微型機(jī)器人的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景以及最新研究。

以下為演講內(nèi)容，醫(yī)健AI掘金志做了不改變原意的整理和編輯：

機(jī)器人研究始于上世界60、70年代，主要圍繞大型工業(yè)機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、特種機(jī)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(jī)器人：一種是有線驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，比如仿生蟑螂、仿生小蟲子這種分米級(jí)、厘米級(jí)的機(jī)器人；一種是無線驅(qū)動(dòng)的電場、磁場驅(qū)動(dòng)的毫米級(jí)、微納米級(jí)的微型機(jī)器人。

我的研究就圍繞無線驅(qū)動(dòng)的毫米級(jí)、微納米級(jí)的微型機(jī)器人而展開。

從廣義上講，幾納米到幾毫米的機(jī)器人都可以定義為微型機(jī)器人。微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，由螺線管、薄膜、線組成。

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

無線驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人系統(tǒng)：由外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備、外部傳感器、機(jī)器人本體及環(huán)境組成

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

總體來看，微型機(jī)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(yùn)動(dòng)模態(tài)到多種運(yùn)動(dòng)模態(tài)、從單個(gè)機(jī)器人到多個(gè)機(jī)器人的控制。

微型機(jī)器人有非常大的應(yīng)用前景，可用于體內(nèi)、血管內(nèi)、腔道內(nèi)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(huì)面臨在腦部細(xì)小血管處形成血栓的風(fēng)險(xiǎn)。如果選用內(nèi)載創(chuàng)口貼藥物的微型機(jī)器人，由它游動(dòng)到胃腸道內(nèi)部精準(zhǔn)治療，將有效避免血栓風(fēng)險(xiǎn)。

微型機(jī)器人研究可以歸納為三個(gè)問題：

如何讓微型機(jī)器人在體內(nèi)動(dòng)起來？

如何讓它們按照既定路徑運(yùn)動(dòng)？

如何讓它們適應(yīng)體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境？

在自然界中，有兩種運(yùn)動(dòng)可以提供一些靈感：一個(gè)是精子的柔性震動(dòng)，一個(gè)是大腸桿菌的螺旋性運(yùn)動(dòng)。

通過這兩種運(yùn)動(dòng)，我們制作了兩種微型仿生機(jī)器人：一種是在震蕩磁場下用震動(dòng)產(chǎn)生推力，另外一種是在旋轉(zhuǎn)磁場下用螺旋形尾巴一邊轉(zhuǎn)一邊往前走，即螺旋型微型機(jī)器人。

最初，我們做出一個(gè)磁性微型機(jī)器人，用電磁線圈制成一個(gè)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(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

電磁線圈驅(qū)動(dòng)的磁性微型機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)做成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)。

這就是微型機(jī)器人的第二個(gè)問題：如何讓它們按照既定路徑運(yùn)動(dòng)。

首先，我搭建了一個(gè)三維線圈，保證空間內(nèi)任何一個(gè)方向都可以產(chǎn)生均勻磁場，并依靠編程電流產(chǎn)生各種不同的復(fù)雜磁場，比如震蕩磁場、旋轉(zhuǎn)磁場、錐星磁場，從而控制機(jī)器人生成一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

在磁場外部，我加了一個(gè)立體視覺系統(tǒng)，安置了兩個(gè)攝像頭，通過俯視圖和側(cè)視圖做成一個(gè)三維視覺重建：通過兩個(gè)機(jī)器人的軸向來重建三維坐標(biāo)空間里的軸向方向和三維軸向空間里中心點(diǎn)的定位。比如螺旋機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)時(shí)，我們可以實(shí)時(shí)跟蹤到它中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及它的俯仰角和前進(jìn)角。

磁性微型機(jī)器人路徑跟蹤控制

之后我們想給機(jī)器人做一個(gè)路徑跟蹤控制，類似讓機(jī)器人“自動(dòng)駕駛”：我給它畫一個(gè)軌跡，它可以自動(dòng)沿著軌跡走。

我們寫出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，一個(gè)非線性的方程，一個(gè)是線性方程。

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

如果這兩個(gè)誤差都為0，就證明這個(gè)機(jī)器人在此刻和未來時(shí)刻會(huì)繼續(xù)沿著參考路徑運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)表明，閉環(huán)控制可以讓螺旋型機(jī)器人中心點(diǎn)永遠(yuǎn)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(xué) ），開始將微型機(jī)器人向軟體化方向發(fā)展。

起初，我們要在生物體內(nèi)做一系列軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，軟體機(jī)器人對生物組織非常友好，接觸輕柔，不會(huì)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(gè)比較巧妙的磁場方向，保證機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)的磁場里作螺旋形運(yùn)動(dòng)，并逐步實(shí)現(xiàn)三維自動(dòng)駕駛，保證機(jī)器人在任意空間里的路徑被跟蹤、被控制。

但是軟體機(jī)器人也存在一個(gè)問題：由于形狀不固定，機(jī)器人的中心點(diǎn)位置計(jì)算復(fù)雜，需要用移動(dòng)平均值的方法來計(jì)算中心點(diǎn)位置，以及用中心點(diǎn)移動(dòng)方向的位置來代替機(jī)器人的軸，從而找到一個(gè)確定的機(jī)器人軸向。

因此，我們想做一個(gè)三維路徑跟蹤控制。它有兩個(gè)控制環(huán)：

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

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

比如在錐形的磁場中，機(jī)器人做螺旋型運(yùn)動(dòng)；

在上下震動(dòng)的磁場中，機(jī)器人做爬行運(yùn)動(dòng)；

在水平震動(dòng)的磁場中，機(jī)器人做水蛇樣擺動(dòng)；

在旋轉(zhuǎn)磁場中，機(jī)器人做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

我們給這些運(yùn)動(dòng)建模，看機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和物理性征的關(guān)系，比如磁場頻率、長度、爬行運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、螺旋性運(yùn)動(dòng)等。

多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的磁性軟體薄膜微型機(jī)器人

為什么要讓它做多模態(tài)運(yùn)動(dòng)呢？

最大的好處是讓微型機(jī)器人適用復(fù)雜環(huán)境。

如果是螺旋形運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人只能穿過比它直徑更大的縫隙。但如果是擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人則會(huì)穿越非常狹窄的縫隙。

另外，如果改變材料，機(jī)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(jī)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(xiàng)研究是發(fā)表在了材料領(lǐng)域的《AFM》期刊上。

隨后，我們繼續(xù)推進(jìn)了薄膜機(jī)器人的應(yīng)用研究。

我們找到一種特殊薄膜，當(dāng)它沒被磁化時(shí)，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(gè)十字形薄膜機(jī)器人，可以控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡，搬運(yùn)一些比較小的物體。

而且這種薄膜機(jī)器人有兩種運(yùn)動(dòng)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(gè)鏟車抓手，用于搬運(yùn)。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，這種薄膜機(jī)器人可以做一些細(xì)胞篩選的工作。

傳統(tǒng)細(xì)胞篩選的方法是醫(yī)生邊看顯微鏡邊拿探針手動(dòng)篩選，重復(fù)性高、精度要求高。但如果用微型機(jī)器人做細(xì)胞篩選，我們只需要在屏幕上點(diǎn)一點(diǎn)，就可以啟動(dòng)它們自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。

目前，我們在推進(jìn)多機(jī)器人的協(xié)同控制工作。

這項(xiàng)工作難度非常大。因?yàn)橥粋€(gè)磁場下，磁微型機(jī)器人所受的控制相同，如何讓某一個(gè)機(jī)器人單獨(dú)行動(dòng)，擁有不同的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)位置，其實(shí)就是讓不同的機(jī)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(jī)器人做不一樣的震蕩頻率，比如做多個(gè)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(gè)難題：機(jī)器人之間速度關(guān)聯(lián)，我們很難對某個(gè)機(jī)器人獨(dú)立控制。

第二種方法，改變機(jī)器人的磁化角。

當(dāng)某一個(gè)機(jī)器人在磁場的某一時(shí)刻速度為0，并持續(xù)一段時(shí)間，我們就可以利用速度為0的這一段時(shí)間，塞入另外一個(gè)具有一定速度的微型機(jī)器人，從而成功實(shí)現(xiàn)不同機(jī)器人的速度解耦。

理論上，我們可以做四個(gè)在特定時(shí)刻完全解耦的微型機(jī)器人。

多磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人的獨(dú)立位置控制和路徑跟隨控制

動(dòng)圖展示

我們現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)微型機(jī)器人的獨(dú)立控制，未來我們希望實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，由微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)靶向治療。

以上是我的分享，謝謝大家！

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