科学家开发多磁性微型机器人控制系统，在复杂3D环境独立控制多个机器人

来源：DeepTech深科技

在现代医学领域，精准治疗复杂病灶成为越来越重要的需求，尤其是对于脑肿瘤、脑动脉瘤等多发性疾病，需要医生能够在多个位置上进行同步或快速交替地进行治疗。

传统的使用单个机器人的方案通常无法满足这些复杂的多点治疗需求，特别是对于需要短时间内在多个部位实施药物输送和血流控制的治疗。

它们更需要一种多机器人协同的解决方案，以缩短手术时间、提升治疗效果，并避免错过理想的治疗时机。

近期，德国马克斯普朗克智能系统研究所、美国夏威夷大学与土耳其科奇大学等团队合作，开发出了一种全新的多软体机器人控制系统。

该系统巧妙利用了机器人与血管壁的接触实现了多个磁性机器人的控制，并能够在 3D 空间中进行动态精确控制多个磁性软体机器人的独立操控。

值得关注的是，该系统通过在线检测阻力进行磁场控制，使得每个机器人在三维管腔网络中都可以不受其他机器人干扰地独立完成任务，为未来多机器人协同工作提供了新方案。

多机器人控制框架为精准医疗和微创手术等领域提供了新技术途径，尤其在脑中风等紧急医疗状况下具有应用潜力，大大拓展了多机器人在复杂医疗环境中的应用前景。

审稿人对该研究评价称，“这项工作的一个显著进步是它能够独立控制超过 5 个磁性机器人，因为在这项工作之前，控制超过 5 个机器人是巨大的挑战。同时，完善的机器人控制平台和路径规划算法提供了便捷的用户界面，结合精妙的机器人功能设计，为药物递送和液体导流提供了一种新颖的应用方式。”

近日，相关论文以《三维网络多软体微型机器人》（Heterogeneous multiple soft millirobots in three-dimensional lumens）为题发表在 Science Advances[1]。

德国马普智能系统研究所和瑞士苏黎世联邦理工学院博士生王春翔是第一作者，美国夏威夷大学助理教授王添路是共同第一作者兼共同通讯作者，科奇大学梅廷·司提（Metin Sitti）教授担任通讯作者。

图丨相关论文在 Science Advances 首页发表（来源：Science Advances）

该系统基于软体机器人在不同位置所受阻力的差异，采用外部磁场来驱动并控制每个机器人的位置和运动。

通过调节磁场的方位与强度，系统可以灵活调整磁性机器人在管腔内的作用区域，使得每个机器人能够在不同的目标区域独立执行任务。

为了实现多机器人的独立操控，该系统提出了“影响区域”和“驱动区域”两大核心概念。

在影响区域内，因磁场无法对机器人产生足够的作用力，从而避免了对其他机器人的干扰；而在驱动区域内，磁场的力足够强，可以有效地推动和旋转控制目标机器人。

王春翔表示：“通过在线估计每个机器人的影响区域和驱动区域并结合磁场控制，系统能够实现多个微型机器人在 3D 空间的独立控制。”

图丨王春翔（左）与王添路（来源：王春翔）

该系统的优势主要体现在以下四个方面：

首先，该课题组实现了在三维空间（XYZ 轴）内对多个机器人的控制，而不仅仅是二维平面。

其次，实验中的环境模拟更为真实，包含了水流等动态因素，即便在这样的条件下，也能保持对机器人的稳定控制。

再次，该研究突破了控制机器人数量的限制，能够在复杂环境中同时控制超过 5 个机器人，这在以往的研究中是难以实现的。

最后，这种新颖的机器人设计不仅考虑了实际应用环境，还集成了送药、血管栓塞等医疗功能，使其成为面向实际医疗应用的解决方案。

图丨三维空间内的多机器人部署（来源：Science Advances）

由于该课题组使用的是永磁体控制机器人，而永磁体本身的特性相当复杂。

在深入研究机器人控制的过程中，研究人员面临建模等方面的挑战，如使用具有复杂性的永磁体所带来的控制难度的增加。

此外，机器人在复杂的流场环境中，如在血管内与管壁或血管壁的交互也非常复杂。需要建立磁场控制模型，以及建立机器人本身的动力学模型。

“我们的目标是以一种直观的方式清晰地解释这些复杂的概念，以方便用户操作。”王春翔说。

为了搞清这些复杂概念，研究人员采取了“多管齐下”方法，包括广泛阅读学术论文、理论探究和大量实验对相关假设进行验证等。

尽管在研究初期，研究人员就发现实验结果与其最初所提出的模型并不一致，但他们并没有放弃，而是基于不断实验和修正迭代优化模型，使其更加精准和可靠。

图丨系统概念图与应用（来源：Science Advances）

在脑中风治疗中，传统方法通过导管不断地注入溶栓药物，但这种方法可能会损害其他健康的血管。而该研究中提出的解决方案是利用机器人技术，实现药物的精准输送，并减少对健康组织的副作用。

王添路解释说道：“脑中风往往涉及多处血管同时堵塞，而我们的技术优势在于能够控制多个支架机器人 [2]，并有效解决多处血管堵塞的问题。”

据悉，目前该团队正在进行动物实验，并计划进一步提升机器人的结构和材料的生物相容性等方面。同时，他们也正在将这些机器人与现有的医疗系统结合，比如与 CT、超声等设备协同工作，以更好地面向临床应用。

未来，随着技术的不断优化，软体磁控机器人在多点药物输送、复杂病灶多点诊疗、多部位流体调控等领域具有广泛的应用潜力。

特别是在多发性脑动脉瘤、脑肿瘤和血栓形成等疾病的治疗中，该系统有望提供更快捷、更精准的治疗方式。

此外，结合传感和电子模块，该系统还有望用于多点生理监测、疾病早期检测和个性化治疗等领域。

参考资料：

1.Wang,C.et al. Heterogeneous multiple soft millirobots in three-dimensional lumens.Science Advances 10, 1951(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq1951

2. Wang, T., et al. Adaptive wireless millirobotic locomotion into distal vasculature. Nature Communications13, 4465 (2022).  https://doi.org/10.1038/s41467-022-32059-9

排版：何晨龙、刘雅坤