CN112296996A - 纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统。其中，方法包括首先根据纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程，然后基于纳米机器人执行当前作业的起点位置、初始速度及目标终点位置和运动学特征方程，调整纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，进而控制纳米机器人在执行当前作业过程中的运动状态，从而实现使纳米机器人从初始位置运动至目标终点位置。本申请提供的技术方案实现了纳米机器人在特定环境下的准确、稳定的运动，使其在指定时间内精确到达指定位置，保证了纳米机器人的工作效率，提高了作业过程中的安全性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及微型机器人技术领域，特别是涉及一种纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统。
背景技术
纳米机器人为机器人工程学的一种新兴科技，纳米机器人的研制属于分子纳米技术(Molecular nanotechnology，MNT)的范畴，纳米机器人为可在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的功能分子器件。
由于纳米机器人的诸多优势，其广泛应用在生物医疗领域。举例来说，可编程控制的纳米机器人可以在纳米尺度上获取生命特征相关信息，通过对纳米机器人精确地协调控制来代替人工完成相应的工作，在纳米级的空间中实现对生物大分子的操作，从而可解决当今医学上的诸多难题。如何控制纳米机器人进行稳定、精确的运动，以此保障医疗过程中绝对的安全性，提高纳米机器人的工作效率，是纳米机器人应用在医疗技术领域中的关键。
目前，国内外对于纳米机器人的运动研究方法越来越成熟，在流体管道的运动控制领域取得了很大的进展，例如，加拿大蒙特利尔理工大学的一项研究可实现在计算机的控制下成功引导微型装置在血管中以10cm/s的速度运动。纳米机器人的运动研究主要集中在流体管道与物质表面两个方面，更多的研究是从粒子的形状大小上来获取相应的参数，通过粒子的运动方式和黏附效果来分析粒子的运动特征。
在医疗医学应用中，纳米机器人从生物体的一点运动至指定位置，有多种运动路径，由于它尺寸微小，自身无法携带传感器，因此在运动过程中避开障碍、选择合适的路径成为纳米机器人工作运动时面临的难题。目前新兴的磁性靶向载体是在外部设置一个恒定磁场，使得在流体管道中运动的磁性粒子在指定的地方聚集，在工作过程中，即纳米机器人要在液态复杂的内环境下执行各种指令以完成各种相应作业的过程中，由于粒子在指定部位的释放速度受液体摩尔浓度、液体pH值以及环境温度等因素的影响，在实际应用中的效果并不好。
因此，如何在特定环境下实现对纳米机器人精确稳定运动，使其在指定的时间内到达指定的位置，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统，实现了纳米机器人在特定环境下的准确、稳定的运动，使其在指定的时间内可精确到达指定的位置。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：
本发明实施例一方面提供了一种纳米机器人运动状态的控制方法，包括：
获取纳米机器人的运动起点信息和目标终点位置，所述运动起点信息包括初始速度和初始位置；
根据所述运动起点信息、所述目标终点位置和预先构建的运动学特征方程，调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，以使所述纳米机器人从所述初始位置运动至所述目标终点位置；
其中，所述运动学特征方程的构建过程包括：
根据所述纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程。
可选的，所述根据所述纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程包括：
根据下述公式计算所述纳米机器人在液体管道空间中的任意一点处的磁场力，并根据电磁方程求解磁场模型：
根据下述公式计算所述纳米机器人的初始运动速度vp、受力加速后的运行速度v相对：
根据所述纳米机器人受到的磁场力、粘滞阻力和纳维-斯托克斯方程计算得到所述纳米机器人在液体管道空间的三维坐标系中的X轴、Y轴、Z轴上的加速度为：
式中，所述纳维-斯托克斯方程为
所述粘滞阻力F1＝6πηrv相对，Fm为所述纳米机器人的受到的磁场力，Fmx为所述纳米机器人在X轴的磁场力，Fmy为所述纳米机器人在Y轴的磁场力，Fmz为所述纳米机器人在Z轴的磁场力，Vp为所述纳米机器人的体积，μ0为介质磁导率，γm为磁介质磁化率，Hx、Hy、Hz为X、Y、Z三轴方向上的磁场强度，m为所述纳米机器人的质量，η为所述液体管道中液体的粘性系数，r为所述纳米机器人的半径，u为所述纳米机器人的当前速度，ux为所述纳米机器人在X轴的当前速度，uy为所述纳米机器人在Y轴的当前速度，uz为所述纳米机器人在Z轴的当前速度，t为时间，F为所述纳米机器人的受到的合力，ρ为流体密度，p为流体各向同性压力，μ为动力粘性系数。
可选的，所述调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小为：
基于磁场定向矢量技术对所述纳米机器人的外部磁场的方向和大小进行调控，并实时检测所述外部磁场的磁场力和方向的变化。
可选的，所述纳米机器人在t时刻的速度大小表示为：
速度方向矢量表示为
其中，所述纳米机器人t0时刻在所述液体管道的空间位置表示为B＝B(a，b，c，t)，t时刻在所述液体管道的空间位置表示为：
x＝x(a，b，c，t)；
y＝y(a，b，c，t)；
z＝z(a，b，c，t)。
可选的，所述根据所述运动起点信息、所述目标终点位置和预先构建的运动学特征方程，调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小包括：
所述纳米机器人在t时刻的运动状态信息计算过程包括：
根据所述纳米机器人在t1时刻、t2时刻的空间位置及t1时刻的加速度，计算所述纳米机器人在t时刻的当前空间位置，其中，t1＝t-Δt、t2＝t-2Δt，Δt为时间步长；
根据所述当前空间位置计算所述纳米机器人在t时刻的当前加速度、t1时刻的速度，以实现所述纳米机器人的运动状态的控制。
可选的，所述纳米机器人的初始速度值为0。
本发明实施例另一方面提供了一种纳米机器人运动状态的控制装置，包括：
运动学特征方程构建模块，用于根据纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程；
信息获取模块，用于获取所述纳米机器人的运动起点信息和目标终点位置，所述运动起点信息包括初始速度和初始位置；
运动状态控制模块，用于根据所述运动起点信息、所述目标终点位置信息和预先构建的运动学特征方程，调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，以使所述纳米机器人从所述初始位置信息运动至所述目标终点位置。
可选的，所述运动状态控制模块包括运动状态计算子模块；
所述运动状态计算子模块用于根据所述纳米机器人在t1时刻、t2时刻的空间位置及t1时刻的加速度，计算所述纳米机器人在t时刻的当前空间位置，其中，t1＝t-Δt、t2＝t-2Δt，Δt为时间步长；根据所述当前空间位置计算所述纳米机器人在t时刻的当前加速度、t1时刻的速度，以实现所述纳米机器人的运动状态的控制。
本发明实施例还提供了一种纳米机器人运动状态的控制系统，包括纳米机器人、磁场发生装置及纳米机器人运动状态控制处理器，所述磁场发生装置与所述纳米机器人运动状态控制处理器相连接；
所述纳米机器人为包覆有磁性纳米材料的壳体结构；所述磁场发生装置用于为所述纳米机器人提供外部磁场力；所述纳米机器人运动状态控制处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述纳米机器人运动状态的控制方法的步骤。
可选的，所述纳米机器人为圆柱体结构，所述圆柱体结构为一端封闭的空腔结构，且所述圆柱体结构的另一端利用蛋白膜进行封闭。
可选的，所述纳米机器人的壳体壁厚为20nm，壳体径向长度为80nm，轴向长度为150nm；所述纳米机器的壳体材料为二氧化钛和碳纳米管的纳米复合材料，所述磁性纳米材料为FeCo纳米复合材料。
本发明实施例还提供了一种纳米机器人运动状态的控制设备，包括处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如前任一项所述纳米机器人运动状态的控制方法的步骤。
本发明实施例最后还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有纳米机器人运动状态的控制程序，所述纳米机器人运动状态的控制程序被处理器执行时实现如前任一项所述纳米机器人运动状态的控制方法的步骤。
本发明实施例提供了一种纳米机器人运动状态的控制方法，首先根据纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程，然后基于纳米机器人执行当前作业的起点位置、初始速度及目标终点位置和运动学特征方程，调整纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，进而控制纳米机器人在执行当前作业过程中的运动状态，从而实现使纳米机器人从初始位置运动至目标终点位置。
本申请提供的技术方案的优点在于，基于流体力学理论和磁场理论，对在复杂液体环境中执行各种指令以完成各种相应作业的纳米机器人的受力场进行精确分析，得到纳米机器人在磁流场的运动学方程，通过对外部动态磁场的调节(实时改变磁场大小和方向)改变纳米机器人在运动过程中的速度方向和大小，从而可以对纳米机器人在复杂的液态环境中运动轨迹进行精确的控制，使其可以在合适的运动速率下到达指定的工作位置，避免纳米机器人在运动过程中出现故障，例如走错路或者无法到达指定位置等，使纳米机器人的运动更加的准确和稳定，保证了纳米机器人的工作效率，提高了作业过程中安全性。
此外，本发明实施例还针对纳米机器人运动状态的控制方法提供了相应的实现装置、系统、设备及计算机可读存储介质，进一步使得所述方法更具有实用性，所述装置、系统、设备及计算机可读存储介质具有相应的优点。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种纳米机器人运动状态的控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种纳米机器人运动状态的控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的纳米机器人运动状态的控制装置的一种具体实施方式结构图；
图4为本发明实施例提供的纳米机器人运动状态的控制设备的一种硬件结构示意图；
图5为本发明实施例提供的纳米机器人运动状态的控制系统的一种实施方式的结构框架示意图；
图6为本发明实施例提供的纳米机器人的一种实施方式的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一个示例性应用场景的框架结构示意图；
图8为本发明实施例提供的纳米机器人在示意性实施例中在X方向上的运动V-T图；
图9为本发明实施例提供的纳米机器人在示意性实施例中在Z方向上的运动V-T图；
图10为本发明实施例提供的纳米机器人在示意性实施例的运动轨迹图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。
首先参见图1，图1为本发明实施例提供的一种纳米机器人运动状态的控制方法的流程示意图，本发明实施例可包括以下内容：
S101：预先根据纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程。
由于纳米机器人的尺寸为纳米级，其自身重力和液体浮力相对外部磁场引力和液体管道中的液体的粘滞力微乎其微，故可忽略不计。也即，纳米机器人(外部包裹磁性材料)在外部磁场和管道液体环境中做定向移动过程中的受力状况为外部磁场的引力(即磁场力)和液体环境的阻力(即粘滞力)。
外部磁场可为搭建的磁场组件生成，外部磁场的大小和方向可利用高精度的霍尔传感器进行检测。
本领域技术人员可根据流体力学、电磁学等基本的物理知识，结合牛顿定律和运动学基本知识计算得到纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程，这些均属于基本理论知识，此处，便不再赘述。
S102：获取纳米机器人的运动起点信息和目标终点位置。
运动起点信息可包括初始速度和初始位置，为纳米机器人开始执行当前任务时的位置，目标终点位置为执行完当前任务时处于的位置。纳米机器人的初始速度值例如可为0，当然，纳米机器人的初始速度也可不为0，例如纳米机器人在执行完第一任务时，紧接着执行第二任务，那么第一任务在终点位置的速度即为第二任务的初始速度。
举例来说，纳米机器人从A点(初始位置)进入人体，通过调整控制系统中的磁场组件来控制运动方向，在磁场变化产生的引力和各种环境阻力的共同作用下按照一定的速率运行到预定点B(目标终点位置)，完成相应的作业。
S103：根据运动起点信息、目标终点位置和运动学特征方程，调整纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小。
基于牛顿定律可知，由于纳米机器人在复合的磁流场中的运动状态与受力相关，且纳米机器人的粘滞力与纳米机器人的速度相关，那么通过调节外部磁场的大小和方向便可调节纳米机器人的加速度大小和方向，继而调整纳米机器人在执行任务过程中的速度大小和方向，使其朝着目标终点位置移动。
在本发明实施例提供的技术方案中，基于流体力学理论和磁场理论，对在复杂液体环境中执行各种指令以完成各种相应作业的纳米机器人的受力场进行精确分析，得到纳米机器人在磁流场的运动学方程，通过对外部动态磁场的调节(实时改变磁场大小和方向)改变纳米机器人在运动过程中的速度方向和大小，从而可以对纳米机器人在复杂的液态环境中运动轨迹进行精确的控制，使其可以在合适的运动速率下到达指定的工作位置，避免纳米机器人在运动过程中出现故障，例如走错路或者无法到达指定位置等，使纳米机器人的运动更加的准确和稳定，保证了纳米机器人的工作效率，提高了作业过程中安全性。
纳米机器人由于外部包裹磁性材料，在外部磁场作用下会发生磁化现象，且磁化后与外磁场方向一致。纳米机器人的磁化强度J与外加磁场强度H0的关系J＝K H0，K为磁化率，也即纳米机器人使用材料本身固有的磁化率。
在液体管道中建立三维空间坐标，三维空间中任一点磁场强度、外加磁场强度、纳米机器人产生的磁场强度H满足H＝H0+H′。纳米机器人的几何形状可以模拟为长度400nm、宽度100nm、平均直径20nm的圆柱体，在三个坐标轴方向上退磁因子均为1/2，由此得出，在磁场作用下纳米机器人与磁场强度之间的关系：
当磁场大小方向发生变化，根据磁化率与郎之万函数可以得出它在变化场中的磁化率表示函数为：
式中，N为单位体积内的磁性粒子数，Js为磁性粒子的饱和磁性强度，μ0为介质磁导率，k为波尔兹曼常数，H为纳米机器人产生的磁场强度，J为纳米机器人的磁化强度，m为纳米机器人的质量，T为所处环境温度。
当纳米机器人工作在温度恒定37℃，密度约为1.05g/cm3的混合液体环境下(纳米机器人在人体中执行任务)，忽略温度变化影响，在磁场中纳米机器人模拟函数可为：
式中，γ0为介质磁化率，Js为磁性粒子的饱和磁性强度，H为纳米机器人产生的磁场强度。
此时，纳米机器人在电磁场中受到洛伦磁力和磁化后产生的开尔文力，磁场公式为
代入磁场强度与磁化率的关系可以得出纳米机器人在空间直角坐标系中x、y、z方向上受到的力：
式中，Fm为纳米机器人的受到的磁场力，Fmx为纳米机器人在X轴的磁场力，Fmy为纳米机器人在Y轴的磁场力，Fmz为纳米机器人在Z轴的磁场力，Vp为纳米机器人的体积，μ0为介质磁导率，γm为磁介质磁化率，Hx、Hy、Hz为X、Y、Z三轴方向上的磁场强度。
磁场力随着磁场强度的增大而增大，因此可以通过调节磁场大小方向改变纳米机器人的受力方向和引力大小，由电磁方程
解出磁场模型，A为向量磁位。
在液体管道中，可利用牛顿第二定律(公式为
)分析纳米机器人的受力情况，其中，粘滞阻力F1可由斯托克斯定律F1＝6πηr相v对计算得出，η为液体管道中液体的粘性系数，r为纳米机器人的半径，联立便可计算纳米机器人的初始运动速度vp、受力加速后的运行速度v相对：
纳米机器人的运动过程中，受到的磁场引力由可变磁场确定，粘滞阻力由管道液体的流动规律得出。用雷诺数
(ρ为管道液体的密度，u为管道液体的流速，d为管道的当量直径，μ为动力粘性系数)来判定流体的形态，当Re≤2000时，流体为层流，Re≥4000时，流体为湍流，纳米机器人一般运动在层流形态中，因此运动方程由纳维-斯托克斯方程描述：
在空间直角坐标系中，定义纳米机器人的运动加速度a(x,y,z,t)，即可根据纳米机器人受到的磁场力、粘滞阻力和纳维-斯托克斯方程计算得到纳米机器人在液体管道空间的三维坐标系中的X轴、Y轴、Z轴上的加速度为：
式中，u为纳米机器人的当前速度，ux为纳米机器人在X轴的当前速度，uy为纳米机器人在Y轴的当前速度，uz为纳米机器人在Z轴的当前速度，t为时间。
由于纳米机器人运动为一种复杂的非线性运动，在建立运动学方程，请参阅图2所示，纳米机器人t0时刻在液体管道的空间位置M可用空间坐标(a，b，c)表示，空间坐标系是x、y、z，以a，b，c标认的流体质点在t时刻对应的位置用拉格朗日坐标可表示：
x＝x(a，b，c，t)；
y＝y(a，b，c，t)；
z＝z(a，b，c，t)。
纳米机器人在外部动态可变磁场的控制下在流体管道中做非线性运动，通过改变磁场的方向和大小控制其运动方向和速率。纳米机器人在t＝t0时刻的位置的拉格朗日表示式为B＝B(a，b，c，t)，
纳米机器人t时刻的速度方向矢量可表示为
速度大小可表示为：
纳米机器人进入工作环境中，可定义初始化速度为0，在外部磁引力作用下产生加速度，进而具有移动速度，此刻速度方向和加速度方向的角度为angle，纳米机器人在运动过程中改变方向，控制向量指向运动的方向，向量将被旋转朝向目标方向由角度angle决定。设置纳米机器人的运动终点和起点，由加速度来改变运动速度，角度变化量改变运动方向，通过不断地调整速度和方向改变纳米机器人的运动轨迹。在纳米机器人运动过程中，其在t时刻的运动状态信息计算过程可为：
根据纳米机器人在t1时刻、t2时刻的空间位置及t1时刻的加速度，计算纳米机器人在t时刻的当前空间位置，其中，t1＝t-Δt、t2＝t-2Δt，Δt为时间步长；
根据当前空间位置计算纳米机器人在t时刻的当前加速度、t1时刻的速度，实现了纳米机器人的运动状态的精确控制。
举例来说，t2时刻为纳米机器人开始执行任务的初始时刻，该时刻的位置即为纳米机器人的初始位置，速度为初始速度，根据运动学特征方程可计算该时刻的加速度，根据该时刻的加速度和位置，结合基本运动学知识，便可得到下一时刻(t1时刻)的速度、空间位置及加速度。随着时间推移，纳米机器人在后续的运动过程中，根据t1和t2时刻的位置、t1时刻的加速度，获得当前时刻t'的位置，根据当前t'时刻的位置，更新当前位置下的加速度(受力)。同时，还可以更新t1时刻的速度。那么，现在就获得了t'时刻的位置，t1时刻的速度和t'时刻的加速度。
可选的，可基于磁场定向矢量技术对纳米机器人的外部磁场的方向和大小进行调控，将dq0坐标系置于磁场中同步旋转，d轴与转子磁场方向一致，根据XYZ坐标系与dq0坐标系的转换关系，两坐标的输入功率满足p＝uaia+ubib+ucic＝udid+uqiq，通过坐标变换对电机的磁场电流和转矩电流进行控制，检测出定子电流的d轴分量，得出转子磁通幅值，当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的q轴分量成正比，通过控制定子电流的q轴分量就可以控制电磁转矩。
此外，还可使用高精度的霍尔传感器实时检测外部磁场的磁场力和方向的变化，及时发现外部磁场出错(例如外部磁场的磁场力值和方向跟当前时刻调整的磁场值和方向不同)的情况发生，进一步保证当前调控的外部磁场的大小和方向的准确性，有利于提高纳米机器人的运动状态的控制精度，确保纳米机器人能够准确、及时运动到指定位置。
本发明实施例还针对纳米机器人运动状态的控制方法提供了相应的实现装置，进一步使得所述方法更具有实用性。下面对本发明实施例提供的纳米机器人运动状态的控制装置进行介绍，下文描述的纳米机器人运动状态的控制装置与上文描述的纳米机器人运动状态的控制方法可相互对应参照。
参见图3，图3为本发明实施例提供的纳米机器人运动状态的控制装置在一种具体实施方式下的结构图，该装置可包括：
运动学特征方程构建模块301，用于根据纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程；
信息获取模块302，用于获取纳米机器人的运动起点信息和目标终点位置，运动起点信息包括初始速度和初始位置；
运动状态控制模块303，用于根据运动起点信息、目标终点位置信息和预先构建的运动学特征方程，调整纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，以使纳米机器人从初始位置信息运动至目标终点位置。
可选的，在本实施例的一些实施方式中，所述运动状态控制模块303例如可包括运动状态计算子模块；
所述运动状态计算子模块用于根据纳米机器人在t1时刻、t2时刻的空间位置及t1时刻的加速度，计算纳米机器人在t时刻的当前空间位置，其中，t1＝t-Δt、t2＝t-2Δt，Δt为时间步长；根据当前空间位置计算纳米机器人在t时刻的当前加速度、t1时刻的速度，以实现纳米机器人的运动状态的控制。
具体的，所述运动状态控制模块303还可为基于磁场定向矢量技术对纳米机器人的外部磁场的方向和大小进行调控，并实时检测外部磁场的磁场力和方向变化的模块。
此外，所述运动状态控制模块303还可包括纳米机器人速度计算子模块，所述纳米机器人速度计算子模块为纳米机器人在t时刻的速度大小表示为的模块：
速度方向矢量表示为
其中，所述纳米机器人t0时刻在所述液体管道的空间位置表示为B＝B(a，b，c，t)，t时刻在所述液体管道的空间位置表示为：
x＝x(a，b，c，t)；
y＝y(a，b，c，t)；
z＝z(a，b，c，t)。
可选的，在本实施例的另一些实施方式中，所述运动学特征方程构建模块301可以包括：
磁场方程计算子模块，用于根据下述公式计算纳米机器人在液体管道空间中的任意一点处的磁场力，并根据电磁方程求解磁场模型：
速度计算子模块，用于根据下述公式计算纳米机器人的初始运动速度vp、受力加速后的运行速度v相对：
运动学特征方程计算子模块，用于根据纳米机器人受到的磁场力、粘滞阻力和纳维-斯托克斯方程计算得到纳米机器人在液体管道空间的三维坐标系中的X轴、Y轴、Z轴上的加速度为：
式中，纳维-斯托克斯方程为
粘滞阻力F1＝6πηrv相对，Fm为纳米机器人的受到的磁场力，Fmx为纳米机器人在X轴的磁场力，Fmy为纳米机器人在Y轴的磁场力，Fmz为纳米机器人在Z轴的磁场力，Vp为纳米机器人的体积，μ0为介质磁导率，γm为磁介质磁化率，Hx、Hy、Hz为X、Y、Z三轴方向上的磁场强度，m为纳米机器人的质量，η为液体管道中液体的粘性系数，r为纳米机器人的半径，u为纳米机器人的当前速度，ux为纳米机器人在X轴的当前速度，uy为纳米机器人在Y轴的当前速度，uz为纳米机器人在Z轴的当前速度，t为时间，F为纳米机器人的受到的合力，ρ为流体密度，p为流体各向同性压力，μ为动力粘性系数。
本发明实施例所述纳米机器人运动状态的控制装置的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。
由上可知，本发明实施例实现了纳米机器人在特定环境下的准确、稳定的运动，使其在指定时间内精确到达指定位置，保证了纳米机器人的工作效率，提高了作业过程中的安全性。
本发明实施例还提供了一种纳米机器人运动状态的控制设备40，请参阅图4所示，具体可包括：
存储器41，用于存储计算机程序；
处理器42，用于执行计算机程序以实现如上任意一实施例所述纳米机器人运动状态的控制方法的步骤。
本发明实施例所述纳米机器人运动状态的控制设备40的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。
由上可知，本发明实施例实现了纳米机器人在特定环境下的准确、稳定的运动，使其在指定时间内精确到达指定位置，保证了纳米机器人的工作效率，提高了作业过程中的安全性。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有纳米机器人运动状态的控制程序，所述纳米机器人运动状态的控制程序被处理器执行时如上任意一实施例所述纳米机器人运动状态的控制方法的步骤。
本发明实施例所述计算机可读存储介质的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。
由上可知，本发明实施例实现了纳米机器人在特定环境下的准确、稳定的运动，使其在指定时间内精确到达指定位置，保证了纳米机器人的工作效率，提高了作业过程中的安全性。
最后，本发明实施例还提供了一种纳米机器人运动状态的控制系统，请参阅图5，该系统可包括纳米机器人51、磁场发生装置52及纳米机器人运动状态控制处理器53。磁场发生装置52与纳米机器人运动状态控制处理器53相连接，纳米机器人51设置在液体管道中。
纳米机器人运动状态控制处理器53用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如上任意一方法实施例所述纳米机器人运动状态的控制方法的步骤，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。
磁场发生装置52用于为纳米机器人提供外部磁场力，可采用任何一种可为外部磁场驱动系统，本申请对此不做任何限定。
纳米机器人51为包覆有磁性纳米材料的壳体结构。可选的，请参阅图6所示，纳米机器人可为圆柱体结构，该圆柱体结构为一端封闭的空腔结构、其未封闭的另一端可利用蛋白膜551进行封闭。可采用任何一种蛋白膜封闭纳米机器人的空腔，本申请对其不做任何限定。
鉴于TiO2/C纳米材料具有很好的生物相容性与安全性，为一种环境友好、价格便宜、稳定高效的纳米材料，可将纳米机器的壳体材料设置为二氧化钛和碳纳米管的纳米复合材料，二氧化钛和碳纳米管可以以任何比例进行复合，这均不影响本申请的实现，只需将二氧化钛颗粒附着在碳纳米管上即可。可采用化学气相沉积法制备上述碳纳米壳体，采用TTIP参与的包覆反应，得到二氧化钛阵列碳纳米管结构。
磁性纳米材料可为任何一种超顺磁性纳米材料，可在纳米机器人1的外壳上利用磁控溅射沉积技术包覆软磁性纳米材料，也可采用其他技术涂覆磁性纳米材料，这均不影响本申请的实现。
FeCo纳米复合材料具有优良磁性能的，在外加磁场作用下，软磁性材料会产生磁性并做定向移动。由于纳米磁性粒子与多聚糖/蛋白质等生物分子具有良好生物相容性，对环境无毒无害，因此是一种合适的纳米磁性包覆材料。可将纳米机器人外部的磁性纳米材料设置为FeCo纳米复合材料。
在一种具体实施方式中，纳米机器人的壳体壁厚d可设置为20nm，壳体径向长度l可设置为80nm，轴向长度r可设置为150nm。
为了验证本申请提供的技术方案可实现纳米机器人运动状态的准确控制，本申请还提供了一个示意性例子，该示例性例子的场景框架结构示意图请参阅图7所示，可包括：
开启外部磁场发生装置，工作人员通过可视化终端观察磁性纳米机器人在液体管道内部的运动情况，操纵计算机控制系统发送各类指令。系统外部磁场强度调节范围为0.1-2T，0.1-1.5T，磁场梯度调节范围为1-500T/m，10-200T/m。可选的，设置磁场强度调节范围为0.1-1.5T，初始磁场强度为0.6T，磁场梯度为10-200T/m。磁性纳米机器人的磁化强度为1.3×106A/m。
实施例一：在模拟温度为37℃的运行环境下，可将本实施例上述提供的磁性纳米机器人利用一次性微型注射器注射至混合液体管道中。模拟管道半径为200μm，管道内部液体平均流速为5mm/s，密度约为ρ＝1.05g/cm3-1.06g/cm3，流体比重约为ρg＝1.04×104N/m3，黏度保持为3.5cP。
可采用高精度扫描电子显微镜观测磁性纳米机器人在液体管道中的运行情况，进行数据记录分析，结果如下：
磁性纳米机器人的运动可以基本描述为匀加速和匀速运动。磁性纳米机器人进入反应环境中，受磁场力作用，将克服流体阻力。在运动过程中，纳米机器人基本可以维持稳定的运动，在外部磁场的调控下，准确避开虚拟障碍物，进行转弯或上升下降运动。在运动过程中不存在翻滚现象。
自动选定微型注射器注入磁性纳米机器人的点为运动起始点，空间坐标标记为(0，0，0，t0)，t0为运动起始时刻。外部磁场克服液态流体的作用力，根据运动学原理，磁性纳米机器人受到合外力F，将在X轴方向上获得加速度0.5μm/s2，在Y轴方向上获得加速度为0μm/s2，在Z轴方向上获得加速度0.5μm/s2，控制磁性纳米机器人运行10s，记为时刻t1。在t1时刻,磁性纳米机器人的速度为vx＝5μm/s，vy＝0μm/s，vz＝5μm/s，在管道空间中的位置标记为(25，0，25，t1)。通过计算机调控系统控制外部磁场装置调节磁场强度大小和方向，磁性纳米机器人所受合外力F1在Z轴方向上与F方向相反，获得加速度为-0.5μm/s2，在X轴、Y轴方向上保持不变，行进10s至t2时刻，此时,磁性纳米机器人在Y方向、Z方向上速度均为0μm/s，X方向上速度为10μm/s。在空间中坐标表示为(100，0，50，t2)。调节磁场大小和方向，使磁性纳米机器人沿X轴方向做匀减速运动，在t2-t3时段的这10s内，纳米机器人速度下降至3μm/s。保持速度做匀速运动至t4时刻，减速运动至指定位置。如图8和图9所示磁性纳米机器人的运动V-T图。
实施例二：基于上述实施例，在运动液态管道中可进一步设置体积为20×20×20μm3的固体障碍物。利用高精度扫描电子显微镜观测磁性纳米机器人在液体管道中的运行情况，进行数据记录分析，结果如下：
磁性纳米机器人的运动可以基本描述为匀加速和匀速运动。磁性纳米机器人进入反应环境中，受磁场力作用，将克服流体阻力。在运动过程中，纳米发动机基本可以维持稳定的运动，在外部磁场的调控下，准确避开虚拟障碍物，进行转弯或上升下降运动。在运动过程中不存在翻滚现象。
自动选定微型注射器注入磁性纳米机器人的点为运动起始点，空间坐标标记为(0，0，0，t0)，t0为运动起始时刻。外部磁场克服液态流体的作用力，根据运动学原理，磁性纳米机器人受到合外力F，将在X轴方向上获得加速度0μm/s2，在Y轴方向上获得加速度为0μm/s2，在Z轴方向上获得加速度0.4μm/s2，控制磁性纳米机器人运行10s，记为时刻t1。在t1时刻磁性纳米机器人的速度描述为vx＝0μm/s，vy＝0μm/s，vz＝4μm/s，在管道空间中的位置标记为(0，0，20，t1)。此时，通过计算机调控系统控制外部磁场装置调节磁场强度大小和方向，磁性纳米机器人所受合外力F1在Z轴方向上与F方向相反，获得加速度为-0.5μm/s2，在X轴、Y轴方向上保持不变，行进10s至t2时刻，此时磁性纳米机器人在X方向上Y方向Z方向上速度为0，在空间中坐标表示为(0，0，40，t2)。在t2-t3时段，磁性纳米机器人沿X轴方向以4μm/s的速度匀速运动。此时前方出现障碍物，磁性纳米机器人调节磁场大小和方向，使磁性纳米机器人沿Z轴方向做加速度为1μm/s2匀加速运动，X轴方向上速度不变，纳米机器人沿曲线轨迹运动避开障碍物。在t4-t5时段内，纳米机器人在Z轴方向上减速，回到原轨道保持匀速运动至指定位置。如图8和图9所示磁性纳米机器人的运动V-T图。
改变磁场强度调节范围分别为0.1-0.5T，0.5-1T，1-1.5T，1.5-2T，初始磁场强度为0.8T，磁场梯度为10-100T/m。磁性纳米机器人的磁化强度为1.3×106A/m。在模拟温度为37℃的运行环境下，将本实施例上述提供的磁性纳米机器人利用一次性微型注射器注射至混合液体管道中。模拟管道半径为200μm，内部液体平均流速加至为10mm/s，密度约为ρ＝1.05g/cm3-1.06g/cm3，流体比重约为ρg＝1.04×104N/m3，黏度可保持为3.5cP。分别进行模拟无障运动，采用高精度扫描电子显微镜观测磁性纳米机器人在液体管道中的运行情况，在磁场强度分别为0.1-0.5T，0.5-1T，1-1.5T，1.5-2T情况下，绘制磁性纳米机器人的运动轨迹图如图10，图10中的曲线由下而上分别对应图中4、3、1、2曲线。
由上可知，本申请提供的技术方案可实现了纳米机器人在特定环境下的准确、稳定的运动，使其在指定时间内精确到达指定位置，保证了纳米机器人的工作效率，提高了作业过程中的安全性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的一种纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种纳米机器人运动状态的控制方法，其特征在于，包括：
获取纳米机器人的运动起点信息和目标终点位置，所述运动起点信息包括初始速度和初始位置；
根据所述运动起点信息、所述目标终点位置和预先构建的运动学特征方程，调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，以使所述纳米机器人从所述初始位置运动至所述目标终点位置；
其中，所述运动学特征方程的构建过程包括：
根据所述纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程。
2.根据权利要求1所述的纳米机器人运动状态的控制方法，其特征在于，所述根据所述纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程包括：
根据下述公式计算所述纳米机器人在液体管道空间中的任意一点处的磁场力，并根据电磁方程求解磁场模型：
根据下述公式计算所述纳米机器人的初始运动速度vp、受力加速后的运行速度v相对：
根据所述纳米机器人受到的磁场力、粘滞阻力和纳维-斯托克斯方程计算得到所述纳米机器人在液体管道空间的三维坐标系中的X轴、Y轴、Z轴上的加速度为：
式中，所述纳维-斯托克斯方程为
所述粘滞阻力F1＝6πηrv相对，Fm为所述纳米机器人的受到的磁场力，Fmx为所述纳米机器人在X轴的磁场力，Fmy为所述纳米机器人在Y轴的磁场力，Fmz为所述纳米机器人在Z轴的磁场力，Vp为所述纳米机器人的体积，μ0为介质磁导率，γm为磁介质磁化率，Hx、Hy、Hz为X、Y、Z三轴方向上的磁场强度，m为所述纳米机器人的质量，η为所述液体管道中液体的粘性系数，r为所述纳米机器人的半径，u为所述纳米机器人的当前速度，ux为所述纳米机器人在X轴的当前速度，uy为所述纳米机器人在Y轴的当前速度，uz为所述纳米机器人在Z轴的当前速度，t为时间，F为所述纳米机器人的受到的合力，ρ为流体密度，p为流体各向同性压力，μ为动力粘性系数。
3.根据权利要求2所述的纳米机器人运动状态的控制方法，其特征在于，所述调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小为：
基于磁场定向矢量技术对所述纳米机器人的外部磁场的方向和大小进行调控，并实时检测所述外部磁场的磁场力和方向的变化。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的纳米机器人运动状态的控制方法，其特征在于，所述纳米机器人在t时刻的速度大小表示为：
速度方向矢量表示为
其中，所述纳米机器人t0时刻在所述液体管道的空间位置表示为B＝B(a，b，c，t)，t时刻在所述液体管道的空间位置表示为：
x＝x(a，b，c，t)；
y＝y(a，b，c，t)；
z＝z(a，b，c，t)。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的纳米机器人运动状态的控制方法，其特征在于，所述根据所述运动起点信息、所述目标终点位置和预先构建的运动学特征方程，调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小包括：
所述纳米机器人在t时刻的运动状态信息计算过程包括：
根据所述纳米机器人在t1时刻、t2时刻的空间位置及t1时刻的加速度，计算所述纳米机器人在t时刻的当前空间位置，其中，t1＝t-Δt、t2＝t-2Δt，Δt为时间步长；
根据所述当前空间位置计算所述纳米机器人在t时刻的当前加速度、t1时刻的速度，以实现所述纳米机器人的运动状态的控制。
6.根据权利要求5所述的纳米机器人运动状态的控制方法，其特征在于，所述纳米机器人的初始速度值为0。
7.一种纳米机器人运动状态的控制装置，其特征在于，包括：
运动学特征方程构建模块，用于根据纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程；
信息获取模块，用于获取所述纳米机器人的运动起点信息和目标终点位置，所述运动起点信息包括初始速度和初始位置；
运动状态控制模块，用于根据所述运动起点信息、所述目标终点位置信息和预先构建的运动学特征方程，调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，以使所述纳米机器人从所述初始位置信息运动至所述目标终点位置。
8.一种纳米机器人运动状态的控制系统，其特征在于，包括纳米机器人、磁场发生装置及纳米机器人运动状态控制处理器，所述磁场发生装置与所述纳米机器人运动状态控制处理器相连接；
所述纳米机器人为包覆有磁性纳米材料的壳体结构；所述磁场发生装置用于为所述纳米机器人提供外部磁场力；所述纳米机器人运动状态控制处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述纳米机器人运动状态的控制方法的步骤。
9.根据权利要求8所述的纳米机器人运动状态的控制系统，其特征在于，所述纳米机器人为圆柱体结构，所述圆柱体结构为一端封闭的空腔结构，且所述圆柱体结构的另一端利用蛋白膜进行封闭。
10.根据权利要求8所述的纳米机器人运动状态的控制系统，其特征在于，所述纳米机器人的壳体壁厚为20nm，壳体径向长度为80nm，轴向长度为150nm；所述纳米机器的壳体材料为二氧化钛和碳纳米管的纳米复合材料，所述磁性纳米材料为FeCo纳米复合材料。
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2019
- 2019-07-26 CN CN201910683342.0A patent/CN112296996B/zh active Active
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