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机电学院张广玉、李隆球教授在磁控微纳机器人研究方面取得新进展

2017年10月10日 14时37分41秒新闻网浏览次数:48

哈工大报讯(王计/文)我校机电学院张广玉、李隆球教授和加州大学圣地亚哥分校约瑟夫·王教授合作,近期在磁控微纳机器人研究中取得重要进展。相关研究成果“磁场驱动自由泳式纳米马达”(Highly Efficient Freestyle Magnetic Nanoswimmer)和“自主导航微纳机器人”(Autonomous Collision-Free Navigation of Microvehicles in Complex and Dynamically Changing Environments)分别发表在国际著名学术期刊《纳米快报》(Nano Letters, 2017, 17, 5092-5098, SCI IF: 12.7)和《美国化学学会纳米》(ACS Nano, 2017,11, 9268-9275, SCI IF: 13.9)上。两篇文章的第一作者为我校青年教师李天龙博士,通讯作者为李隆球教授。

微纳机器人是指在微纳尺度上能够将不同形式的能量转化为机械运动的纳米机器。由于其尺寸小、装载能力强等特点,微纳机器人有望横穿生物组织,将在药物靶向输运和肿瘤精准治疗等生物医学领域有巨大的应用前景。然而,如何克服粘滞力实现高效输送和在人体复杂环境中实现精准操控是药物靶向必须面临的两大挑战。该研究团队通过采用仿生原理,首次发明了一种由振荡磁场驱动的镍-银-金-银-镍多金属复合结构纳米机器人。该机器人直径约为400nm,由多节柔性铰链组成,可模拟游泳运动员“自由泳”双臂交替运动形式在低雷诺数流体中快速移动,极大提高了磁驱纳米机器人的运动效率。实验测试发现该新型双臂型纳米机器人的运动速度可达到每秒60个身长,约为其他同类柔性纳米机器人的10倍。该纳米机器人不仅可以在水溶液中运动,还可以在血清等生物环境中进行快速运动,通过改变外源磁场的方向可以对机器人的运动方向进行精确控制。该研究成果为提升微纳机器人的驱动效率和运载能力提供了新的研究思路。

为提升微纳机器人在复杂人体环境中避障、导航与精准识别等能力,该研究团队将人工智能技术引入到微纳机器人运动控制中,发明了一种能够在复杂环境中可实现精准导航的智能微纳机器人。该智能微型机器人的全自动导航系统由图像检测与识别单元、人工智能控制器、磁场调控执行器组成。图像检测与识别单元为化学驱动的Janus微球机器人提供实时定位,同时通过检测周围环境为其规划理想无碰撞的行驶路径。传统微纳机器人控制方法主要通过手动或半自动方式进行调控,只能在二维或者三维空间内沿着预定的路径朝特定的目标点运动,存在控制精度低、响应速度慢和智能化程度低等缺点。而该新型智能微纳机器人则可在错综繁杂环境中自主规划路径、导航和躲避固定、移动障碍物,还能对目标对象及时识别,如可识别癌细胞和正常红细胞等,因此,该智能机器人系统可应用于复杂生物体系中的诊断治疗,具有广泛的应用前景。

两项研究成果得到国家自然科学基金、机器人技术与系统国家重点实验室基金等项目资助。

论文链接:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b02383

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b04525


编辑:闫明星

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