功率放大器在磁场激励下对狭窄非结构化液体环境适应性研究的应用

实验名称：磁场激励下对狭窄非结构化液体环境的卓越环境适应性和出色的3D可控性验证

研究方向：在临床实践中，天然孔口通常为医疗器械提供对各种靶组织的侵入性通路。这些体腔/腔（例如泌尿和消化系统）通常充满液体，并促进物质在体内或体内与体外之间的运输。与传统的开放或介入手术相比，生物相容性磁驱动微型软体机器人可以运输各种治疗药物，并以非侵入性方式安全地穿越自然孔口，以执行医疗任务，例如靶向药物输送和组织诊断。然而，在如此狭窄、充满液体的环境中安全、可靠和高效地执行医疗任务对机器人的运动性能提出了严格的要求。

Carangiform鱼可以在复杂的自然水域中高速敏捷地游泳。通过模拟它们的生物形态和运动学特征，研究者设计了一种不受束缚的carangiform状磁性milliswimmer，能够在体内发现的狭窄流体环境中进行敏捷的3D抗重力导航。这种毫游泳者产生的身体曲率分布与鱼非常相似，使用磁扭矩来驱动其身体，并模仿鱼通过肌肉收缩产生扭矩的原理。这种仿生设计为milliswimter提供了类似carangiform的游泳行为和出色的游泳性能。它配备了强大的推力，使其能够在不依赖辅助浮力结构的情况下进行3D抗重力的水下自由游泳，并在狭窄、弯曲和可变直径的管道环境中平稳地向上游游泳。此外，这种设计为milliswimter提供了高游泳速度和出色的等效运动性能，U高达20BLs−1，类似于fish的ηU83.49BL毫克−1兆吨−1s−1），这比以前报告的值高出六倍多。此外，这种设计赋予了milliswimmer出色的巡航机动性，使其能够轻松避开障碍物（具体来说，milliswimmer具有最小的巡航转弯半径r把0.05BL和最大巡航转弯速度ω把高达4737度−1当外部驱动磁场强度保持不变时）。重要的是，这种milliswimter具有很强的环境适应性。由于其高度自由度，它可以灵活地调整游泳泳姿，以适应充满液体、非结构化、狭窄的环境。像大多数鱼一样，它的负浮力使它能够适应密度高于水的各种液体环境。在操纵杆控制和自动视觉导航下，milliswimmer表现出出色的可控性，可以在指定位置悬停并在克服重力的同时导航任意3D轨迹。最后，通过结合常见的医学成像技术，展示了milliswimmer在离体猪泌尿系统中的潜在临床应用。

实验目的：通过精确控制磁场的强度和方向，是否可以实现对液体在三维空间中的精确控制，为后续实验做论证和铺垫。

测试设备：ATA-6223功率放大器、CCD、数据采集卡、PC、磁力计、磁性产生装置、微型注射泵

实验过程：为了模仿鱼类的运动学特征，milliswimmer被驱动在水中产生强大的网推力，使其能够在重力和外部阻力下在三个维度上自由游动。主要是因为它的工作空间更大，适合离体实验和其他需要这种容量的实验。然而，较大工作空间系统的高电感需要使用谐振电路来产生足够的高频驱动电流。用磁力计（CH-3600）校准系统产生的静态和动态磁场。该系统主要由一个磁性产生装置、三个功率放大器（ATA-6223）、一个数据采集卡、一台PC、三个电荷耦合器件，（CCD）摄像头和三个镜头组成。磁系统可以在空间中产生任何方向的磁场。为了监测毫秒游泳者游泳时产生的流场，采用了PIV技术。中性浮力聚酰胺种子粒子均匀分散在实验水环境中，用532nm激光照射。使用高速CCD摄像机从侧面或顶部记录粒子的运动，并使用openpiv157对粒子图像进行分析。使用微型注射泵向弯曲的玻璃管提供流体输入，通过控制喷射泵的水平推进速度，可以调节弯曲玻璃管入口处的平均流体速度。

图1-1微微粒子在离体猪泌尿系统器官中的潜在应用实验框图

实验结果：说明了在恒定的磁场大小和驱动频率下，毫游泳运动员如何使用由操纵杆控制的不同游泳动作成功导航障碍物并遵循预定义的轨迹，包括“M”、“S”和“R”形状（MSR）。最初，milliswimter采用模式1游泳，沿着“M”形的轨迹前进（图1-2b）。当接近水平窄间隙障碍物1（长度2×宽度0.3mm，如图1-2c的插图所示）时，milliswimter通过调整滚动角度θ从模式1过渡到模式2辊到90，成功穿过狭窄的水平间隙。随后，游泳者在这种模式下继续沿着S形轨迹游泳（图1-2c）。当接近倾斜的45°窄间隙障碍物2（长度2×宽度0.3mm，如图1-2d插图所示）时，毫游泳者调整θ辊到45，成功穿越狭窄的间隙障碍物2。在此之后，通过以滚动频率f旋转milliswimmer辊1Hz，它采用模式3并沿R形轨迹向前移动（图1-2d）。最后，这位毫不费力的游泳运动员从模式3过渡到模式1，毫不费力地避开圆形障碍物并在水中航行。在整个过程中，毫游泳者的平均手动操作误差为0.45毫米（0.12BL）。

图1-2milliswimr的可控性和环境适应性。a）毫游泳者平稳地遵循预定轨迹（MSR）并调整其游泳模式以穿过狭窄间隙的示意图。b）“M”形的轨迹。c）障碍物1，其特征是水平狭窄的间隙（长2毫米，宽0.3毫米，见插图）和S形轨迹。d）障碍物2，一个45°角的倾斜狭窄间隙（长2毫米，宽0.3毫米，如图所示）和一个R形轨迹。e）在基于视觉的自动控制下，milliswimter使用三个游泳动作来跟踪鱼形和MSR轨迹。该图显示了跟踪的统计误差分布。f）在基于视觉的自动控制下，毫游泳运动员可以停留在空间中的指定点并悬停在指定的水平面上，在三个游泳泳姿中的每一次中表现出不同程度的误差。误差线表示标准差N=3。g）在基于视觉的自动控制下，milliswimter使用三个游泳动作来跟踪螺旋轨迹的统计误差分布。h）通过在三个游泳泳姿之间切换，milliswimter在复杂的3D网络结构（珊瑚状）周围自由游泳的行为。i）milliswimper在3D网络中游泳的示意图。ii）毫游泳者在3D结构中连续游泳的视频快照。比例尺，2毫米。

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审核编辑 黄宇