22、多孔螺旋微钻的磁场驱动设计与控制

多孔螺旋微钻的磁场驱动设计与控制

1. 引言

过去十年，微制造和操作系统的进步催生了各类微机器人，在多个领域展现出应用潜力，尤其在生物医学领域备受关注。微机器人设计需考虑低运动阻力，以确保其在流体中稳定移动，避免因流体干扰导致的路径偏离。

现有的原型螺旋微结构适用于低雷诺数流体任务，其非互易运动可打破时空对称性实现推进。单螺旋微机器人结构简单、表面积小，能产生螺旋运动以降低低雷诺环境中的粘性阻力，适合靶向药物递送，但空心结构易在流体波动时摆动，影响运动稳定性。双螺旋微机器人具有高体积 - 表面积比和理想的机械性能，实心核心结构能保证在波动流体中稳定的螺旋运动。生物混合微机器人具有生物相容性和可生物降解性，但多数机械性能较差，在流体剪切应力作用下易扭曲或断裂。

旋转磁场可为螺旋微机器人提供旋转扭矩，在低雷诺环境中，低场强即可将旋转转化为平移，便于货物运输等应用。振荡磁场则可使微机器人在平面内振荡，使其在遇到障碍物时能在垂直方向往复移动以穿透。然而，能克服高粘性阻力灵活直线运动且可振荡穿透粘性障碍物的微机器人较少。

为解决上述问题，我们设计了一种表面经凹坑处理的磁性螺旋微钻，以有效降低阻力。同时，提出了一种旋转和振荡复合磁场的闭环控制算法，使微机器人能在流体中交替旋转和振荡，实现灵活运动。该微钻采用明胶 - 甲基丙烯酰（GelMA）和透明质酸（HAMA）等软材料制造，具有良好的生物相容性和可生物降解性。

2. 材料与方法

磁性微钻控制系统包括表面优化的微结构和一套自行设计的八轴电磁铁，可实现微钻的五自由度（5 - DOF）运动控制。为降低高粘度流体中的阻力，对微钻表面进行凹坑处理，并采用基于旋转和振荡复合场的磁控策略，使