由于体积小,这些小型机器可以插入人体中,从而使医生可以远程进行检查或操作受疾病影响的区域。
然而,由于人体内部流体的流动方式,开发使微机器人在医学环境中有效运动的方法是一项具有挑战性的任务。为了克服这一挑战,过去的研究提出了使用可以在表面上滚动的轮式机器,因为它们的结构可以增强推进力并提高平移速度中国机械网okmao.com。
尽管有希望,但研究发现表明这些机器人在平坦表面上无法很好地移动,并且经常打滑。在《科学机器人》杂志上进行的一项有趣的新研究中,科罗拉多矿业大学和科罗拉多丹佛大学的一组研究人员提出了一种新方法,该方法可以帮助增强微型机器人在潮湿表面上的运动。
“由于小规模流体动力学的基本限制,小型机器很难游泳,这是我们试图通过开发基于车轮并在可用表面上行驶的方法克服的限制,”研究人员之一大卫·马尔(David Marr)教授告诉TechXplore进行了这项研究。“
这些方法相对有效,但是,由于体内表面潮湿,我们的车轮趋向于以其理论最大值的10%左右滑动和行进。这项工作的目的是开发一种防止车轮滑动的方法,像齿轮一样安装在行驶表面上,实际上可以消除打滑并显着加快平移速度。”
展示研究人员观察结果的视频。马尔教授和他的同事们从道路和车轮背后的数学中汲取了灵感,并将这些计算结果应用于小型轮状机器人。他们发现,机器人运行所在的“微路”的地形(即物理特征)的特定变化允许微轮达到更高的速度。
研究人员观察到,机器人在微路上行驶的周期性颠簸可以改善小轮子和附近墙壁之间的牵引力。在潮湿的平坦表面上,车轮容易打滑。
因此,崎bump不平的道路导致了一种运动模式,该运动模式由具有滑动和防滑翻转的旋转组成。这大大提高了车轮的平移速度,使机器人的运动速度比在平坦表面上快了四倍。
马尔教授解释说:“特定形状和尺寸的车轮完全适合特定设计形状的道路。” “虽然轮和平坦的道路相匹配,但非圆形的轮子使表面与道路上的特定颠簸相匹配。
最终目标是开发出一种能够更好地与体内的表面相匹配的轮子,从而在必须迅速进行治疗的疾病中实现更快的治疗, 例如。”
将方轮安装在汽车上似乎是一种违反直觉且效率低下的提高其运动性的方式。但是,正如Marr教授所解释的那样,通常很难在微型机器人所操作的表面上进行充分铺装,因此,在这种情况下,非圆形轮子的设计实际上是有益的。
沿火焰方向在地形表面的3D磁场下平移二聚体。
“我们的工作揭示了微轮和非光滑表面之间重要的流体动力相互作用,而文献中的大多数工作主要集中在推动微型机器人在平坦表面上的推进,”参与研究的另一位研究员吴宁教授对TechXplore说。“我们的发现的一个应用将是基于对称性而不是大小来分离微观对象。”
Marr,Wu及其同事收集的发现可能具有一些实际意义。例如,研究人员观察到方形和菱形微型轮在平坦的表面上以相似的速度滚动,但在崎road不平的道路上以非常不同的速度滚动。
逆着火焰方向平移钻石和正方形。这种简单的观察可以为微型机器人将在其上进行操作的表面提供战略性设计,最终根据其轮子的形状增强其运动能力。这些小型机器在颠簸的表面上实现更快的旋转速度还可以简化它们在人体的特定区域(例如部分阻塞的血管网络)中行驶时的操纵。
Marr,Wu及其同事最近发表的论文提供了新的见解,可以指导为生物医学目的开发更高效的微型机器人。
在未来的工作中,研究人员计划探索两个进一步的研究方向,这些方向可能会产生更多有价值的观察结果。
相对于火焰方向(底部)在平面(顶部)与地形表面上的菱形和方形μ轮平移比较。吴教授说:“首先,由于我们已经证明了它们可以以不同的速度滚动,因此我们将利用地形图案化的基底在对称性和尺寸上分离出微米级和纳米级的颗粒。”
“然后,分离出的粒子可以用作制造具有有趣的光-质相互作用的光子结构的基础。另一个方向将是制造软材料的微轮,例如可以包裹药物的液滴。我们的最终目标是在复杂的环境中操纵这些软轮。血管网络并使用它们来运送药物。”