CN113211410A - 一种微型拖曳机器人及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型拖曳机器人及其制备方法，由驱动模块和功能模块两部分组成，其中驱动模块包括四只磁性驱动蹼，每只磁性驱动蹼中镶嵌有若干磁结构，功能模块包括拖曳装置和压缩垫，拖曳装置由两个捕获臂和两个磁性锁扣组成，捕获臂上有若干环抱臂，驱动模块和功能模块通过缓冲膜连接。该微型拖曳机器人，由于体积小且结构柔软，在生物体器官中对异物的清理、药物的运输，以及体内深处微创口的缝合等医学领域有着重要的应用价值。

Description

一种微型拖曳机器人及其制备方法

技术领域

本发明属于微型软体器件制备技术领域，具体涉及一种微型拖曳机器人及其制备方法。

背景技术

软体机器人是一种新型柔软机器人，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。机器人本体利用柔软材料制作，一般认为是杨氏模量低于人类肌肉的材料；区别于传统机器人电机驱动，软体机器人的驱动方式多种多样，它可将外部能量转化成机械功输出从而获取动力，进而实现空间中的三维自主运动，其所利用的外部能量形式主要取决于所使用的材料，从响应的能量角度来划分主要分为如下几类：电场、压力、磁场、化学反应、光场、温度梯度等。除了材料之外，机器人尺寸也是影响其应用的重要指标，例如在微小空间内要想实现物质运输、信息采集、能量传递等功能，大型机器人就无法胜任；而微型机器人由于体积小、制造难度大等特点导致操作及驱动相对于大型机器人而言较为困难，而磁场由于其非接触、参数可控和矢量性等优异性成为最具潜力的微型机器人驱动方式之一。根据近年来的研究表明，通过对磁场的大小、交变频率、作用角度等参数的精确调控，可以做到对机器人的各部分进行精密可编程操控，这些研究为微型软体机器人的进一步应用打下了坚实的基础。

在生物医学领域中，经常涉及到组织器官中异物的清理、转移，药物的定向输运，而生物体内复杂的结构、狭小的空间以及错综的血管与神经使得医务人员很难在各种情况下完成上述任务，此时需要借助一种能够携带货物的功能型机器人来协助医务工作者，此机器人需要满足下列要求：首先必须足够的小，使其能够自如地穿梭在狭小的器官中；其次必须可控，能够对外界的某种信号做出反应，使得人们可以控制它前往目标位置；然后其结构必须柔软，防止对生物体器官造成刮伤；最后制作该机器人的材料必须无毒。另外，打结是我们日常生活中非常基本的技能，但是在医学中一些体内深处的创口缝合打结时，往往很困难。基于此，若能开发出一种具备运载货物以及系微型结功能的微型软体机器人，不仅可以利用其进行器官中异物的清理、药物的运输，还可以对微创口的缝合提供极大帮助，具有十分重要的应用价值，而目前国内尚未发现有类似功能的机器人。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微型拖曳机器人及其制备方法，可实现对目标货物的定向运输，以及系微型结等功能。

本发明的技术方案为：一种微型拖曳机器人，由驱动模块和功能模块两部分组成，其中驱动模块包括四只磁性驱动蹼，每只磁性驱动蹼中镶嵌有若干磁结构，功能模块包括拖曳装置和压缩垫，拖曳装置由两个捕获臂和两个磁性锁扣组成，捕获臂上有若干环抱臂，驱动模块和功能模块通过缓冲膜连接。

优选的方案中，所述磁性驱动蹼材料为柔性材料，其能够发生的最大弹性形变角度大于90度。

优选的方案中，所述磁性驱动蹼长度为10微米-1厘米，厚度为1微米-1毫米。

优选的方案中，所述磁性驱动蹼内部或表面镶嵌有若干磁结构。

进一步的方案中，所述磁结构具有形状各向异性。

进一步的方案中，所述磁结构的长轴与短轴尺寸比大于10。

进一步的方案中，所述磁结构与磁性驱动蹼的相对位置为：磁结构的长轴垂直于磁性驱动蹼与行走面的切线。

优选的方案中，所述压缩垫材料为柔性材料，其强度要求为：压缩垫在承受拖曳装置的自然重量时0~1微米弹性形变，在拖曳装置受磁力的作用下压缩垫可发生较明显的弹性形变。

进一步的方案中，所述拖曳装置由第一捕获臂、第二捕获臂和两个磁性锁扣组成。

更进一步的方案中，所述第一捕获臂和第二捕获臂材料均为硬质材料，在正常工作环境中不发生形变。

更进一步的方案中，所述两个磁性锁扣分别为软磁锁扣和铁磁锁扣，软磁锁扣材料的矫顽力小于铁磁锁扣材料的矫顽力，且均大于磁结构的矫顽力。

更进一步的方案中，所述第一捕获臂与压缩垫柔性连接，远离压缩垫的一端连接软磁锁扣。

更进一步的方案中，所述第二捕获臂与压缩垫柔性连接，远离压缩垫的一端连接铁磁锁扣。

更进一步的方案中，所述第一捕获臂和第二捕获臂上有至少一个环抱臂。

又进一步的方案中，所述环抱臂的长度小于第一捕获臂与第二捕获臂的距离，且靠近缓冲膜的环抱臂长于远离缓冲膜的环抱臂。

再进一步的方案中，所述缓冲膜材料为柔性材料，驱动模块和功能模块通过缓冲膜柔性连接。

本发明还提供一种微型拖曳机器人的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、用电沉积或气相沉积或水热合成的方法制备形状各向异性的磁结构；

步骤2、在半球形凹槽中浇注出半球形模具，待其冷凝后在模具表面包覆一层已和固化剂混合均匀的液态聚合物；

步骤3、用压力溅射的方法将磁结构镶嵌在聚合物中的指定位置，并利用弱磁场诱导磁结构转向，使其与磁性驱动蹼的相对位置满足磁结构的长轴垂直于磁性驱动蹼与行走面的切线；

步骤4、将定形后的聚合物半球壳用光刻的方法腐蚀出四只磁性驱动蹼；

步骤5、利用模板法和磁控溅射法制备功能模块，首先制备捕获臂和环抱臂的模板，模板底部用水溶性基底封底，将制备捕获臂和环抱臂的液态材料注入进模板，在其冷凝之前，将捕获臂与压缩垫粘连，待其冷凝后用去离子水溶去基底，将捕获臂和环抱臂与模板分离，并将其放置在镀膜机中，选择镀膜材料，调整镀膜时间，在捕获臂的一端镀上磁性锁扣，结束后将压缩垫和驱动模块分别粘连在缓冲膜的两侧。

进一步的方案中，步骤5中，所述镀膜材料应满足软磁锁扣材料的矫顽力小于铁磁锁扣材料的矫顽力，且均大于磁结构的矫顽力。

进一步的方案中，步骤5中，所述捕获臂与压缩垫连接的一端为远离磁性锁扣的一端。

进一步的方案中，步骤5中，所述捕获臂镀上磁性锁扣的一端为靠近长度最短的环抱臂的一端。

本发明提供的一种微型拖曳机器人及其制备方法具有以下有益效果：本微型拖曳机器人的磁性驱动蹼中的磁结构对磁场反应灵敏，且具有形状各向异性，可通过外界交变磁场实现对磁性驱动蹼的无接触驱动，避免因接触操作而给生物体带来二次污染；磁性驱动蹼可以自由伸缩和弯曲从而实现行走，且材料为柔性材料，不会在作业时对生物器官组织造成刮伤；磁性锁扣可以被恒定磁场所操控，从而带动捕获臂对目标物体进行抓取，具有良好的操控性与捕获能力；环抱臂可以保护目标物体在拖曳过程中不容易脱落；压缩垫既能支撑拖曳装置的重量，又不影响拖曳装置在作业时的灵活性；缓冲膜能够减缓动能，使驱动模块和功能模块互不影响；机器人具有磁性，因此易被外磁场分离出体内或溶液体系。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的拖曳装置结构示意图；

图3为本发明的微型拖曳机器人制备流程图；

图4为本发明捕获及运输货物应用示意图；

图5为本发明系微型结应用示意图。

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的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明，实施例仅用于说明本发明，不限于本发明的范围。

实施例：

如图1-2所示，一种微型拖曳机器人，其结构包括驱动模块1和功能模块2两部分，其中驱动模块1包括四只磁性驱动蹼3，每只磁性驱动蹼3中镶嵌有若干磁结构4，功能模块2包括拖曳装置5和压缩垫6，拖曳装置5由两个捕获臂7和两个磁性锁扣8组成，捕获臂7上有若干环抱臂9，驱动模块1和功能模块2通过缓冲膜10连接。

优选的，所述磁性驱动蹼3的材质可以选用柔性硅酸凝胶或柔性聚二甲基硅氧烷，制备简便、经济，且柔韧度可通过改变掺杂固化剂的配比来控制。

优选的，所述磁结构4可以选用铁磁金属纳米线。铁磁金属纳米线对磁场反应灵敏，且密度、长轴与短轴比例均较大，能够很好地响应外界磁场。

优选的，两个磁性锁扣8材料的矫顽力之差尽可能大，使得外界磁场可允许磁感应强度范围大。

优选的，捕获臂7与环抱臂9的材料可以选用丙烯酸酯，并混合光引发剂，通过调整紫外线的照射时间来控制捕获臂7与环抱臂9的硬度，从而在不失去柔韧性的同时保证磁性锁扣8能带动捕获臂7和环抱臂9运动。

如图3所示，本发明的一种微型拖曳机器人的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在本实施例中，磁结构4选用圆柱形镍铁合金纳米线16，首先在容积为120毫升的聚四氟乙烯电镀槽中加入0.007摩尔七水硫酸铁、0.093摩尔六水硫酸镍、0.07摩尔硼酸、0.0085摩尔柠檬酸钠、1.5毫克十二烷基硫酸钠和100毫升去离子水，充分搅拌后放入恒温水浴锅HH-1中保持40摄氏度的恒定温度；然后使用JGP-560B型磁控溅射沉积系统给模板直径为25毫米，孔径为60纳米，孔深为50微米,孔间距为70纳米的多孔氧化铝模板沉积导电层，接着将其浸泡在酒精中超声10分钟排除孔道内的残留气体后，放入电镀槽中作为阴极，以同样形状和大小的铂电极作为阳极进行电沉积，电沉积结束后打磨掉多孔氧化铝模板背面的金层，然后将其浸泡在100毫升氢氧化钠溶液（0.5摩尔/升）中，待模板完全溶解后，用小磁铁在试管外部吸住纳米线，并用去离子水反复清洗纳米线直至溶液pH值为7，最后将分散的纳米线保存于无水乙醇中，备用。

步骤2、首先将石蜡块放置在半径为6毫米的半球形凹槽的正上方，然后用电焊笔贴在离凹槽最近的石蜡块稍微往上的部位，将电焊笔逐渐加热至120摄氏度，使石蜡熔化后的液态石蜡滴入凹槽中；待液态石蜡填满凹槽时停止加热，移走石蜡块，将凹槽放置室温无风环境中静置20分钟待石蜡凝固完全，超声10分钟；最后将凝固后的半球形石蜡模具11与凹槽分离，用去离子水清洗；在模具11表面包覆一层已和固化剂混合均匀的液态硅胶的方法为：首先用移液枪在600微升液态硅胶中加入50微升的固化剂，充分搅拌15分钟使其混合均匀；然后将与固化剂混合均匀的液态硅胶在模具11表面涂抹均匀，并将其放置在无机基片17上。

步骤3、将无机基片17放置在磁感应强度为400毫特斯拉的弱磁场12中；用移液枪18吸入少量镍铁合金纳米线溶液19，施加较小的压力使移液枪18顶端悬挂一滴液珠，将液珠贴在模具11的球面上，在相同的位置上重复3次，待镍铁合金纳米线16在磁场12的作用下排列后，用无尘纸吸掉浮在液态硅胶表面的酒精；然后在每隔π/2弧度的位置处重复上述操作3次，使镍铁合金纳米线16对称地镶嵌在球面上。

步骤4、将无机基片17放入去离子水中微弱超声40分钟后将基片17取出，分离出已定形后的硅胶半球壳13，用去离子水清洗；然后用无尘纸吸去表面水分，将球面上除去镍铁合金纳米线的部位，用光刻的方法去掉与球心夹角0弧度至π/3弧度范围的硅胶20，腐蚀出四只磁性驱动蹼3，待其腐蚀完毕后取出，用去离子水清洗，可获得对磁场反应灵敏的微型拖曳机器人的驱动模块1。

步骤5、首先用激光在硅胶块上光刻出捕获臂和环抱臂的模板14，模板14底部用水溶性基底15封底，将与光引发剂混合均匀的丙烯酸酯注入进模板14，将第一捕获臂701和第二捕获臂702与两个压缩垫6粘连，用紫外线照射使其凝固，待其完全凝固后用去离子水溶去基底15，将捕获臂7和环抱臂9与模板14分离，并将其放置在JGP-560B型磁控溅射沉积系统中，第一捕获臂701选择铁硅合金为镀膜材料，第二捕获臂702选择钕铁硼为镀膜材料，调整镀膜时间20-30小时；待磁性锁扣8溅射完毕后，将第二捕获臂702放入强磁场中，磁场方向垂直于铁磁锁扣802端面向外，诱导铁磁锁扣802的磁化取向，完成诱导后将压缩垫6和驱动模块1分别粘连在缓冲膜10的两侧，即可获得本发明的微型拖曳机器人。

微型拖曳机器人的工作原理为：利用交变磁场驱动机器人，通过恒定磁场控制捕获目标。本实施例以该机器人运输物体以及系微型结为例对其工作原理说明如下。如图4所示，本发明的微型拖曳机器人应用于拖曳目标物体的过程为：将制备的微型拖曳机器人置于目标物体21所处的空间中，在该空间周围设置三轴电磁线圈对，线圈对两两正交，线圈中可输入交变电流，其强度、频率、相位可调，调节三个电磁线圈对中的电流强度、相位和频率进而产生任意方向上、大小及频率可控的磁场。首先利用三轴电磁线圈对产生交变磁场，磁场强度大于磁结构4的矫顽力，小于磁性锁扣8的矫顽力，通过调控磁场的大小、频率和方向，来控制机器人行动方向、速度；当微型拖曳机器人到达目标物体21附近后，关闭交变磁场，沿软磁锁扣801端面方向向外施加一恒定磁场22，磁场22大小要求大于软磁锁扣801材料的矫顽力大小，且小于铁磁锁扣802矫顽力大小，在磁场22作用下软磁锁扣801的磁化取向被改变，与预先设定的铁磁锁扣802磁化取向相反，因此两个锁扣8相互排斥，带动捕获臂7向两边摆动，拖曳装置5打开，准备将目标物体21收容；再将外磁场22反向，保持大小不变，在磁场22作用下软磁锁扣801磁化取向再次被改变，与铁磁锁扣802磁化取向相同，因此两个锁扣8互相吸引，带动捕获臂7运动，将目标物体21捕获，环抱臂9此时相互贴合，防止物体21在运输过程中脱落；撤去恒定磁场22，施加交变磁场，此时拖曳装置5依然将物体21收容，通过调节交变磁场的参数，驱动机器人将物体21搬运至目的地。同理，可通过控制两个或多个微型拖曳机器人，利用捕获臂7抓取微型绳23的两端，同时向相反的方向运动，如图5所示，即可实现系微型结的操作；待任务完成后，利用三维交变磁场即可将机器人分离出该空间所在的溶液体系。以此原理为基础，该微型拖曳机器人在生物体器官中对异物的清理、药物的运输，以及体内深处微创口的缝合等医学领域有着重要的应用价值。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微型拖曳机器人，其特征在于：包括驱动模块(1)和功能模块(2)，驱动模块(1)包括多只磁性驱动蹼(3)，磁性驱动蹼(3)中镶嵌有若干磁结构(4)，功能模块(2)包括拖曳装置(5)和压缩垫(6)，拖曳装置(5)包括多个捕获臂(7)和磁性锁扣(8)，捕获臂(7)上有若干环抱臂(9)，驱动模块(1)和功能模块(2)通过缓冲膜(10)连接。

2.根据权利要求1所述的一种微型拖曳机器人，其特征在于：所述磁性驱动蹼(3)材料为柔性材料。

3.根据权利要求1所述的一种微型拖曳机器人，其特征在于：磁性驱动蹼(3)长度为10微米-1厘米，厚度为1微米-1毫米。

4.根据权利要求1所述的一种微型拖曳机器人，其特征在于：磁结构(4)与磁性驱动蹼(3)的相对位置为：磁结构(4)的长轴垂直于磁性驱动蹼(3)与行走面的切线。

5.根据权利要求1所述的一种微型拖曳机器人，其特征在于：所述压缩垫(6)材料为柔性材料，其强度要求为：压缩垫(6)在承受拖曳装置(5)的自然重量时0~10微米弹性形变，在拖曳装置(5)受磁力的作用下压缩垫(6)发生弹性形变。

6.根据权利要求1所述的一种微型拖曳机器人，其特征在于：所述磁性锁扣(8)包括软磁锁扣(801)和铁磁锁扣(802)，软磁锁扣(801)材料的矫顽力小于铁磁锁扣(802)材料的矫顽力，且均大于磁结构(4)的矫顽力。

7.一种制备权利要求1到6任一项所述微型拖曳机器人的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、用电沉积或气相沉积或水热合成的方法制备形状各向异性的磁结构(4)；

步骤2、在半球形凹槽中浇注出半球形模具(11)，待其冷凝后在模具(11)表面包覆一层已和固化剂混合均匀的液态聚合物；

步骤3、用压力溅射的方法将磁结构(4)镶嵌在聚合物中的指定位置，并利用弱磁场(12)诱导磁结构(4)转向；

步骤4、将定形后的聚合物半球壳(13)用光刻的方法腐蚀出四只磁性驱动蹼(3)；

步骤5、利用模板法和磁控溅射法制备功能模块(2)，首先制备捕获臂(7)和环抱臂(9)的模板(14)，模板(14)底部用水溶性基底(15)封底，将制备捕获臂(7)和环抱臂(9)的液态材料注入进模板(14)，在其冷凝之前，将捕获臂(7)与压缩垫(6)粘连，待其冷凝后用去离子水溶去基底(15)，将捕获臂(7)和环抱臂(9)与模板(14)分离，并将其放置在镀膜机中，在捕获臂(7)的一端镀上磁性锁扣(8)，结束后将压缩垫(6)和驱动模块(1)分别粘连在缓冲膜(10)的两侧。

8.根据权利要求7所述的一种微型拖曳机器人的制备方法，其特征在于：步骤5中，捕获臂(7)与压缩垫(6)连接的一端为远离磁性锁扣(8)的一端。

9.根据权利要求7所述的一种微型拖曳机器人的制备方法，其特征在于：步骤5中，所述捕获臂(7)镀上磁性锁扣(8)的一端为靠近长度最短的环抱臂(902)的一端。

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