CN115958614A - 一种多功能气泡式微型机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能气泡式微型机器人及其控制方法，该多功能气泡式微型机器人包括机器人本体、存储机构、驱动机构、催化机构和缓冲机构，其中：催化机构与驱动机构通过缓冲机构连接，驱动机构、催化机构和缓冲机构组成机器人本体，所述机器人本体最内层围合而成的空间为存储机构，所述存储机构用于存储机器人本体形变后捕获的目标物体。本发明提供的一种多功能气泡式微型机器人，可对不同大小的目标物体进行捕获、可对密闭环境内分散物体进行一次性捕获，还能对隔离限域环境内的物体进行捕获，同时在较为复杂的环境下其适应性较强。

Description

一种多功能气泡式微型机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于微型软体机器人技术领域，特别涉及一种多功能气泡式微型机器人及其控制方法。

背景技术

随着科技的发展与进步，机器人领域在军用、医用、民用等方面有着及其重要的作用，特别是微型机器人，很多研究机构和科技企业已经在积极推动微型机器人的小型化和柔性化，希望借此进一步丰富机器人的应用范围，为一些微观场景的操作提供帮助。特别是微型机器人在医疗领域中的应用极为广泛，其应用主要包括治疗、手术、诊断、药物运输和医学成像，例如，能动的微型机器人可以直接游入目标区域并传递精确剂量的治疗有效载荷，因此，在降低副作用的同时保持其治疗功效，这是使用具有低定位功效的被动给药方法时的常见问题；使用微型机器人进行手术可能会到达无法通过导管或侵入性手术到达的身体区域，从而可以对组织进行采样或将治疗有效载荷深入患病组织；使用微型机器人辅助医疗，将药物直接送到人体目标部位。

普渡大学首次证明微型机器人可以通过后翻滚等动作，避免生物系统运动对药物运输的影响，并已经在动物实验中验证成功。通过对微型机器人施加旋转的外部磁场控制其行动轨迹，另外，该微型机器人配有防止药物脱落的聚合物涂层，在人工引导下，微型机器人不仅可以抵达目标位置，同时可以在规定的时间内完成药物释放动作。由同济大学牵头建设的上海自主智能无人系统科学中心微纳无人系统团队经医工理深度融合、联合攻关研发出了一款可用于医疗靶向微血管溶栓仿生微型手术机器人。心血管疾病死亡率和致残率高，严重威胁着人类健康，大尺寸血管的血栓可置管溶栓，而对微血管血栓却束手无策。而通过体积微小、载有溶栓剂药物的仿生手术机器人，在外加磁场的指挥下，聚集在血栓部位，产生热和力场，成为高效的微血管血栓清道夫。美国宾夕法尼亚大学的研究人员在一项概念验证研究中证明，一种免提设备可以成功地自动处理和清除导致蛀牙的牙斑和细菌。在未来，一个可变形的机器人微群可能作为牙刷、漱口水和牙线复合设备，该技术由宾夕法尼亚大学的一个多学科团队创造，有可能提供一种全新的、自动化的方法来完成刷牙和使用牙线这些重复但重要的日常工作。对于那些缺乏手动灵活性而无法单独有效清洁牙齿的人来说，这个系统将非常实用。

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：一、驱动微型化；二、能源供给合适；三、安全性好；四、环境适应力强。基于此，若能开发出一种能在复杂环境下能顺利捕获和运送目标物体，有较强的环境适应力的微型机器人具有十分重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种多功能气泡式微型机器人，解决现有微型机器人仅能实现对固定大小目标物体进行捕获、不能对密闭环境内分散物体进行一次性捕获、不能对隔离限域环境内的物体进行捕，同时在较为复杂的环境下其适应性差的问题。

本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种多功能气泡式微型机器人，它包括机器人本体、存储机构、驱动机构、催化机构和缓冲机构，其中：催化机构与驱动机构通过缓冲机构连接，驱动机构、催化机构和缓冲机构组成机器人本体，所述机器人本体最内层围合而成的空间为存储机构，所述存储机构用于存储机器人本体形变后捕获的目标物体。

优选的，所述驱动机构位于机器人本体的最外层，所述驱动机构内部参杂有粉末状强磁性物质，所述驱动机构用于被磁场磁化后使机器人本体向不同方向移动。

优选的，所述催化机构位于机器人本体的最内层，所述催化机构内表面镶嵌有颗粒状光催化物质，所述光催化物质用于分解待催化液体。

优选的，所述缓冲机构位于驱动机构与催化机构之间，所述缓冲机构将所述驱动机构与催化机构紧密的固定为一体，所述催化机构、缓冲机构和驱动机构为高强度的柔性物质。

优选的，所述存储机构内部含有待催化液体，所述待催化液体在催化机构和远红外光的共同作用下分解为气体，使机器人本体内外部压强差大于零。

优选的，所述所述催化机构、缓冲机构和驱动机构由PyTTA-TPA COF材料、聚氯乙烯-二氧化钛纳米颗粒复合材料、聚氨酯材料、MOFs材料中的一种或几种制成。

本发明还提供了一种多功能气泡式微型机器人的控制方法，包括以下步骤：

S1将微型机器人放置于目标物体所在的非磁性限域环境中，外部施加一磁场，驱动机器人向目标方向移动；

S2微型机器人运动到接近目标物体处时，关闭磁场，用远红外光对机器人进行照射，待催化液体在催化物质和远红外光的共同作用下分解为气体，使机器人本体内部压强变大，有膨胀趋势，同时用近红外光对微型机器人进行照射，使其软化，机器人本体膨胀为比目标物体稍大的机器人状态一；

S3打开磁场，同时用近红外光对微型机器人进行照射，使机器人本体缓慢包裹住目标物体，待机器人本体将目标物体完全包裹后，停止近红外光照射；

S4控制磁场的方向和大小，使微型机器人移动至目标位置，此时，通过远紫外光照射破坏机器人本体的结构，使目标物体在目标位置释放。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种多功能气泡式微型机器人，可对不同大小的目标物体进行捕获、可对密闭环境内分散物体进行一次性捕获，还能对隔离限域环境内的物体进行捕获，同时在较为复杂的环境下其适应性较强。

2、本发明提供的一种多功能气泡式微型机器人，柔性好，使其能变换为各种各样的形状；强度高，使其能在各种形状下不破裂。

附图说明

图1为本发明中多功能气泡式微型机器人的外部结构示意图。

图2为本发明中多功能气泡式微型机器人的内部结构示意图。

图3为本发明中多功能气泡式微型机器人的控制方法示意图。

图4为本发明中多功能气泡式微型机器人在管道环境下的状态示意图。

图5为本发明中多功能气泡式微型机器人在短限域环境下的状态示意图。

图6为本发明中多功能气泡式微型机器人在长限域环境下的状态示意图。

图7为本发明中多功能气泡式微型机器人的推操作状态示意图。

图8为本发明中多功能气泡式微型机器人的拉操作状态示意图。

图9为本发明中多功能气泡式微型机器人在密闭环境下的状态示意图。

上述附图中：机器人本体1、机器人状态一101、机器人状态二102、机器人状态三103、机器人状态四104、机器人状态五105、机器人状态六106、机器人状态七107、机器人状态八108、存储机构2、催化机构3、驱动机构4、缓冲机构5、催化物质6、待催化液体7、强磁物质8、远红外光9、近红外光10、目标物体11、磁场12、管道环境13、短隔离限域环境14、长隔离限域环境15、密闭环境16、近紫外光17、远紫外光18。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

参考附图1、附图2和附图3，作为本发明的一种优选实施例，本实施例提供一种一种多功能气泡式微型机器人，它包括它包括机器人本体1、存储机构2、驱动机构4、催化机构3和缓冲机构5，其中：催化机构3与驱动机构4通过缓冲机构5连接，驱动机构4、催化机构3和缓冲机构5组成机器人本体，所述机器人本体1最内层围合而成的空间为存储机构2，所述存储机构2用于存储机器人本体1形变后捕获的目标物体11。

在上述实施例中，参阅附图2，所述驱动机构4位于机器人本体1的最外层，所述驱动机构4内部参杂有粉末状强磁性物质，所述驱动机构4用于被磁场磁化后使机器人本体1向不同方向移动。

在一些优选实施例中，参阅附图2，所述催化机构3位于机器人本体1的最内层，所述催化机构3内表面镶嵌有颗粒状光催化物质6，所述光催化物质6用于分解待催化液体7。

在一些优选实施例中，参阅附图2，所述缓冲机构5位于驱动机构4与催化机构3之间，所述缓冲机构5将所述驱动机构4与催化机构3紧密的固定为一体，所述催化机构3、缓冲机构5和驱动机构4为高强度的柔性物质。

在一些优选实施例中，所述存储机构2内部含有待催化液体7，所述待催化液体7在催化机构3和远红外光的共同作用下分解为气体，使机器人本体1内外部压强差大于零。

在一些优选实施例中，所述所述催化机构3、缓冲机构5和驱动机构4由PyTTA-TPACOF材料、聚氯乙烯-二氧化钛纳米颗粒复合材料、聚氨酯材料、MOFs材料中的一种或几种制成。

如附图2和附图3所示，本发明还提供了一种多功能气泡式微型机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1将微型机器人放置于目标物体11所在的非磁性限域环境中，外部施加一磁场12，驱动机器人向目标物体11方向移动；

S2微型机器人运动到接近目标物体11处时，关闭磁场12，用远红外光9对机器人本体1进行照射，待催化液体7在催化物质6和远红外光9的共同作用下分解为气体，使机器人本体1内部压强变大，有膨胀趋势，同时用近红外光10对微型机器人进行照射，使其软化，机器人本体1膨胀为比目标物体11稍大的机器人状态一101；

S3打开磁场12，同时用近红外光10对微型机器人进行照射，使机器人本体1缓慢包裹住目标物体11，待机器人本体1将目标物体11完全包裹后，停止近红外光10照射；

S4控制磁场12的方向和大小，使微型机器人移动至目标位置，此时，通过远紫外光照射破坏机器人本体1的结构，使目标物体11在目标位置释放。

本发明的微型机器人形状具有环境自适应性，能在复杂的环境内移动。如图4所示，在非磁性限域环境中有一管道环境13，该环境中间管道部分小于该机器人的直径，但在机器人本体1向前驱动的时，其有很强的环境自适应性，可自动的变换为一可通过管道的机器人状态二102，当通过管道时，机器人本体恢复原状。

本发明的微型机器人能够对隔离限域环境内的物体进行捕获，包括短限域环境和长限域环境。在短限域环境下，如图5所示，短隔离限域环境14位于一非磁性限域环境中，利用上述的多功能气泡式微型机器人的控制方法将机器人本体移至短隔离限域环境14附近，通过磁场驱动，机器人本体1会由一个方向向内延展，此时机器人处于机器人状态三103并已经包裹住目标物体11，通过磁场驱动机器人本体1回到原来位置，目标物体11被带出。长限域环境下，如图6所示，操作和短限域环境下操作相同，但由于长限域坏境15突起部分太长，在驱动过程中会使机器人本体分裂为机器人状态四104和机器人状态五105，通过机器人状态五105将目标物体11运出，并在近红外光10的软化作用下将两个机器人状态融合为机器人本体1。

当物体过大时，本发明的微型机器人能对其进行附着式推拉操作。推操作：如图7所示，当目标物体11过大以至机器人本体1膨胀到最大体积时任不能将目标物体包裹时，可直接用磁场驱动机器人本体1，从而推动目标物体的移动，此时微型机器人处于机器人状态六106。拉操作：如图8所示，用近红外光10照射并用磁场驱动将机器人本体1覆盖在目标物体11上，停止光照，可进行拉操作，此时微型机器人处于机器人状态七107。

本发明的微型机器人能对密闭环境内分散物体进行一次性捕获。如图9所示，在非磁性限域环境中有一密闭环境16，密闭环境16中有4个目标物体11和一机器人本体1，在远红外光9和近红外光10的共同作用下，机器人本体会发送膨胀并将4个目标物体推至密闭环境16的边界并包裹住物体，此时微型机器人处于机器人状态八108，然后在近紫外光17的照射下，会使分子之间的间隔变大，能使膨胀后的机器人体积迅速下降，机器人恢复原状并顺利捕获4个目标物体。

在本发明的应用中，远红外光起催化作用，近红外光起软化作用，近紫外光使分子间隔变大，远紫外光破坏机器人本体。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种多功能气泡式微型机器人，其特征在于，它包括机器人本体、存储机构、驱动机构、催化机构和缓冲机构，其中：催化机构与驱动机构通过缓冲机构连接，驱动机构、催化机构和缓冲机构组成机器人本体，所述机器人本体最内层围合而成的空间为存储机构，所述存储机构用于存储机器人本体形变后捕获的目标物体。

2.根据权利要求1所述的一种多功能气泡式微型机器人，其特征在于：所述驱动机构位于机器人本体的最外层，所述驱动机构内部参杂有粉末状强磁性物质，所述驱动机构用于被磁场磁化后使机器人本体向不同方向移动。

3.根据权利要求1所述的一种多功能气泡式微型机器人，其特征在于：所述催化机构位于机器人本体的最内层，所述催化机构内表面镶嵌有颗粒状光催化物质，所述光催化物质用于分解待催化液体。

4.根据权利要求1所述的一种多功能气泡式微型机器人，其特征在于：所述缓冲机构位于驱动机构与催化机构之间，所述缓冲机构将所述驱动机构与催化机构紧密的固定为一体，所述催化机构、缓冲机构和驱动机构为高强度的柔性物质。

5.根据权利要求3所述的一种多功能气泡式微型机器人，其特征在于：所述存储机构内部含有待催化液体，所述待催化液体在催化机构和远红外光的共同作用下分解为气体，使机器人本体内外部压强差大于零。

6.根据权利要求4所述的一种多功能气泡式微型机器人，其特征在于：所述所述催化机构、缓冲机构和驱动机构由PyTTA-TPA COF材料、聚氯乙烯-二氧化钛纳米颗粒复合材料、聚氨酯材料、MOFs材料中的一种或几种制成。

7.权利要求1-6任意一项所述的一种多功能气泡式微型机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1将微型机器人放置于目标物体所在的非磁性限域环境中，外部施加一磁场，驱动机器人向目标方向移动；

S2微型机器人运动到接近目标物体处时，关闭磁场，用远红外光对机器人进行照射，待催化液体在催化物质和远红外光的共同作用下分解为气体，使机器人本体内部压强变大，有膨胀趋势，同时用近红外光对微型机器人进行照射，使其软化，机器人本体1膨胀为比目标物体稍大的机器人状态一；

S3打开磁场，同时用近红外光对微型机器人进行照射，使机器人本体缓慢包裹住目标物体，待机器人本体将目标物体完全包裹后，停止近红外光照射；

S4控制磁场的方向和大小，使微型机器人移动至目标位置，此时，通过远紫外光照射破坏机器人本体的结构，使目标物体在目标位置释放。

Images