用微型加强器增强小型机器人的运动

　　微型机器人可以有几个有用的应用，特别是在生物医学和医疗保健环境中。例如，由于它们的体积小，这些小型机器可以插入人体内，允许医生远程进行检查或操作受疾病影响的区域。

　　然而，由于人体内流体流动的模式，开发能够在医学环境中有效运动微机器人的方法是一项具有挑战性的任务。为了克服这一挑战，过去的研究已经提出使用可以在表面上滚动的轮形机器，因为它们的结构允许增强的推进力和更快的平移速度。
 

　　尽管他们有希望，但研究结果表明这些机器人在平面上移动不良并经常滑动。在科学机器人学的一项有趣的新研究中，科罗拉多矿业学院和科罗拉多大学丹佛分校的一组研究人员提出了一种新方法，可以帮助增强微型机器人在潮湿表面上的运动。

　　“由于小规模流体动力学的基本限制，小型机器难以游泳，我们试图通过开发基于轮子的方法和在可用表面上行驶来克服这一限制，”David Marr教授，其中一位研究员进行这项研究，告诉TechXplore。“这些方法相对有效，[但]因为车身内的表面是潮湿的，我们的车轮往往会滑动并以理论最大值的10％左右行驶。这项工作的想法是开发一种防止车轮打滑的方法像齿轮一样安装在行程表面上，实际上可以消除滑动，从而显着加快平移速度。“
 

　　Marr教授和他的同事从道路和车轮背后的数学中汲取灵感，将这些计算应用于小轮形机器人。他们发现，机器人操作的“微型” 的地形（即物理特征）的特定变化允许微型磁带达到更高的速度。

　　研究人员观察到，机器人行进的微小齿轮周期性颠簸可以改善微小轮子和附近墙壁之间的牵引力。在潮湿的平坦表面上，车轮往往会滑动。因此，较崎岖的道路导致由具有滑动和防滑翻转的旋转组成的运动模式。这显着提高了车轮的平移速度，机器人的移动速度比平面上的速度快四倍。
 

　　“特定形状和尺寸的车轮完美地适合特定设计形状的道路，”Marr教授解释道。“在圆形轮和平坦的道路匹配时，非圆形轮子与路面上的特定凸起相匹配。最终的目标是开发更好地匹配体内表面的轮子，从而在必须快速进行治疗的疾病中实现更快的治疗， 例如。”

　　将方形车轮放在汽车上可能看起来像是一种反直觉且低效的改善其运动的方式。然而，正如Marr教授所解释的那样，为微型电池操作的表面充分铺设通常很困难，因此，在这些情况下，非圆形的轮子设计实际上是有益的。
 

(沿着轨迹方向在地形表面上的3D磁场下的二聚体的形态。图片来源：Sci)

　　“我们的工作揭示了微孔和非光滑表面之间重要的流体动力学相互作用，而文献中的大部分工作主要集中在平面上微机器人的推进，”参与研究的另一位研究员吴宁教授告诉TechXplore。“我们研究结果的一个应用是基于对称而不是尺寸来分离微观物体。”

　　Marr，Wu及其同事收集的调查结果可能会产生一些实际意义。例如，研究人员观察到方形和菱形微型滚轮在平坦的表面上以相似的速度滚动，但在颠簸的道路上以非常不同的速度滚动。
 

(在平坦表面上的3D磁场下移动7聚体和5聚体。图片来源：Yang，Sci)

　　这种简单的观察可以为微型飞机将在其上运行的表面的战略设计提供信息，最终根据车轮的形状增强其运动。在崎岖不平的表面上实现这些小型机器的更快旋转还可以简化它们在人体的特定区域中行进时的操纵，例如部分阻塞的血管网络。

　　Marr，Wu及其同事最近的论文提供了新的见解，可以指导开发更有效的微生物用于生物医学目的。在他们未来的工作中，研究人员计划探索另外两个可以产生额外有价值观察的研究方向。

　　“首先，我们将利用地形图案化的基板在对称性和尺寸上分离微米和纳米级粒子，因为我们已经证明它们可以以不同的速度滚动，”吴教授说。“然后，分离的颗粒可以用作制造具有有趣光物质相互作用的光子结构的构件。另一个方向是制造微软材料，如可以封装药物的液滴。我们的最终目标是在复杂的环境中操纵这些软轮血管网络并用它们来运送药物。“