【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在醫(yī)療領(lǐng)域，低強度磁場無線驅(qū)動的磁性微型機器人展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。這些機器人可以在面向醫(yī)療場景的狹小空間中運動，并完成復(fù)雜作業(yè)任務(wù), 如靶向藥物遞送、微操作、微創(chuàng)手術(shù)等。
 

　　然而，磁性微型機器人的實際應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)之一便是如何利用可移動的磁驅(qū)動系統(tǒng)在人體尺度空間內(nèi)生成穩(wěn)定、高效的動態(tài)磁場，同時避免磁驅(qū)動系統(tǒng)與人體或其他醫(yī)療設(shè)備的潛在碰撞安全問題。
 

　　圖1. 可移動多線圈磁驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)磁性微型機器人運動控制示意圖?？紤]到線圈與人體之間可能發(fā)生碰撞以及磁場需求，不同場景需要不同的線圈構(gòu)型(coil configuration)以提高驅(qū)動效率。
 

　　針對這一挑戰(zhàn)，多電磁線圈系統(tǒng)可以通過高頻控制系統(tǒng)中每個線圈的電流生成復(fù)雜的磁場分布，這對多自由度操控或多模態(tài)磁場操控任務(wù)具有重要的意義。但現(xiàn)有可移動磁控系統(tǒng)雖能覆蓋較大的工作空間，卻在磁場的各向同性優(yōu)化方面仍存在空白，且在實際部署時易受外界環(huán)境因素的制約。
 

　　此外，現(xiàn)有研究方法大多聚焦于空間單一目標點的磁場構(gòu)建，而忽視了目標區(qū)域內(nèi)磁場分布的均衡性，這一局限性可能導(dǎo)致在特定空間方向上產(chǎn)生非預(yù)期的梯度力，進而影響微型機器人的精確操控，成為制約其廣泛應(yīng)用的一大障礙。
 

　　提出新策略，實現(xiàn)空間局部區(qū)域內(nèi)磁場各向同性控制
 

　　近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院徐天添研究員團隊與香港中文大學張立教授團隊強強合作，就人體空間尺度內(nèi)各向同性磁場調(diào)控這一問題進行了深入研究。通過引入各向同性磁場的評價指標，并詳細分析線圈數(shù)量和分布對于磁場分布的影響，研究團隊提出了一種基于性能引導(dǎo)的磁場多目標優(yōu)化策略，實現(xiàn)了在約束工作空間中生成具有各向同性的動態(tài)磁場。該研究成果的相關(guān)論文以題為“Performance-Guided Rotating Magnetic Field Control in Large Workspaces with Reconfigurable Electromagnetic Actuation System”刊登在IEEE Transactions on Robotics期刊上。
 

論文上線截圖
 

　　此外，研究團隊還研發(fā)了一套基于三臺六自由度機械臂構(gòu)成的可重構(gòu)電磁線圈驅(qū)動系統(tǒng)(REMA)。為了驗證所提方法的實用性與有效性，研究團隊利用REMA系統(tǒng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)場，成功在微型機器人上完成了相關(guān)實驗應(yīng)用。
 

　　中國科學院深圳先進技術(shù)研究院蔡明學副研究員為論文的第一作者、吳新宇研究員為共同作者。徐天添研究員和張立教授為該論文的通訊作者。
 

　　基于性能引導(dǎo)的磁場多目標優(yōu)化策略：厘清線圈構(gòu)型與磁場分布
 

　　電磁線圈構(gòu)型，即線圈的數(shù)量和空間分布，對產(chǎn)生的磁場分布起著至關(guān)重要的作用。對于利用高頻變化的磁力矩推進的微型機器人而言，為了確保機器人在多樣化場景下的運動穩(wěn)定性和精確性，常需采用不同的線圈構(gòu)型來提升磁場的各向同性，從而消除特定方向磁場強弱變化對機器人運動的影響，同時降低線圈能量消耗。
 

　　得益于研究團隊所提出的基于性能引導(dǎo)的磁場多目標優(yōu)化策略，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型，從而使磁場在保證各向同性的同時，提高磁場的效率。
 

　　為了對這一優(yōu)化成果進行實證檢驗并推動其實際應(yīng)用，研究團隊首先構(gòu)建了一套全面的指標體系，該體系專門用于在空間區(qū)域內(nèi)對不同線圈構(gòu)型所產(chǎn)生的磁場性能進行量化評估。這一指標體系不僅支持各向同性磁場評價指標的精細設(shè)計，還為線圈構(gòu)型的深入分析提供了有力工具。為了進一步提升磁場生成的靈活度與精確度，團隊還開創(chuàng)性地引入了一種性能驅(qū)動的優(yōu)化流程，通過對線圈配置的精細調(diào)校，成功生成了具有高度各向同性特征的旋轉(zhuǎn)磁場，為微型機器人的精確操控與穩(wěn)定運動提供了堅實的技術(shù)支撐。
 

　　線圈配置的有效性緊密關(guān)聯(lián)于應(yīng)用場景。例如，在圖2情景I中，三個線圈緊鄰機器人布置，以便在能量消耗較低的情況下生成較大磁場。然而，鑒于潛在的碰撞風險，同樣的線圈構(gòu)型在情景III中可能不會產(chǎn)生最佳效果。針對維持穩(wěn)定的各向同性磁場以及線圈耗能的挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了一套在空間區(qū)域內(nèi)評估不同線圈構(gòu)型所產(chǎn)生磁場性能的指標體系，包括磁場分布的各向同性指標以及磁場驅(qū)動矩陣的各向同性指標。
 

　　具體來說，首先在3D空間中定義不同方向的期望單位磁場，基于所采樣的線圈構(gòu)型，計算在空間區(qū)域內(nèi)實際生成的磁場評價指標曲線。此外，還充分考慮了線圈與人體之間的避碰約束。研究人員通過分析發(fā)現(xiàn)，存在某個特定的線圈構(gòu)型，能使所設(shè)計的評價指標達到比較理想的效果。
 

圖2. 各向同性磁場評價指標設(shè)計及線圈構(gòu)型分析
 

　　鑒于不同的線圈構(gòu)型可以實現(xiàn)不同的局部磁場分布，因此，探索在指定空間內(nèi)尋找最佳線圈構(gòu)型以實現(xiàn)各向同性磁場控制的方法顯得尤為重要。值得注意的是，雖然讓線圈盡可能靠近目標區(qū)域，可能會提高磁場強度與電流的比率，但磁場分布的各向同性可能會降。這表明：優(yōu)化一個性能指標可能會以犧牲另一個指標為代價。因此必須根據(jù)應(yīng)用需求做出權(quán)衡。
 

　　基于設(shè)計的四個評價指標和界定的線圈構(gòu)型空間，研究人員將尋找最佳線圈構(gòu)型的過程構(gòu)建為一個多目標優(yōu)化問題，目標是最大化性能標準。為確保所生成磁場的各向同性和高效性，研究團隊提出了一種性能引導(dǎo)的優(yōu)化方法(如圖3)。
 

　　首先，根據(jù)實際場景的限制，設(shè)計出可行的線圈構(gòu)型空間，以防止操作時發(fā)生碰撞。然后，基于上述的評價指標，設(shè)計了對應(yīng)的優(yōu)化目標函數(shù)。在優(yōu)化過程中，通過計算每一個線圈構(gòu)型所生成磁場的評價指標，系統(tǒng)能夠自適應(yīng)調(diào)整線圈構(gòu)型和電流，最終生成帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型。該線圈構(gòu)型不僅在大工作空間內(nèi)避免了線圈碰撞，還確保了磁場具有各向同性和高效性，增強了在復(fù)雜環(huán)境下的磁場操控能力。
 

圖3. 基于性能引導(dǎo)的磁場多目標優(yōu)化方法
 

　　為了證明帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型的有效性，研究人員從可行空間中采樣了兩個不同的線圈配置，并計算了對應(yīng)的磁場評估指標。圖4結(jié)果表明，帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型在性能上優(yōu)于線圈構(gòu)型#1和線圈構(gòu)型#2。同時，為了評估線圈耗能問題，研究人員針對旋轉(zhuǎn)磁場，計算了一個周期內(nèi)每個線圈的累計電流，并發(fā)現(xiàn)帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型的電流消耗遠低于其他兩種線圈構(gòu)型。此外，這三種線圈構(gòu)型中任意兩個線圈之間的最大電流消耗差異分別為5.2 A(線圈構(gòu)型#1)、6.9 A(線圈構(gòu)型#2)和2.6 A(帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型)。
 

圖4. 帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型和非優(yōu)化線圈構(gòu)型性能對比
 

　　可重構(gòu)電磁線圈驅(qū)動系統(tǒng)REMA：驗證應(yīng)用前景
 

　　為了驗證所提算法的可行性、有效性及其在不同磁驅(qū)動場景中的適用性，研究人員特別開發(fā)了一種可重構(gòu)電磁驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在三個獨立的機械臂末端安裝三個電磁線圈，不僅能夠在較大工作空間內(nèi)自由移動，還能夠產(chǎn)生不同線圈構(gòu)型，為驗證提出的線圈配置優(yōu)化策略提供了強有力的實驗支持(如圖5)。此外，研究人員基于ROS框架構(gòu)建了整個系統(tǒng)的軟件架構(gòu)和仿真環(huán)境，大大提高了算法的調(diào)試和實驗進程。
 

圖5. 可重構(gòu)電磁線圈系統(tǒng)
 

　　為了深入探索并驗證應(yīng)用潛力，研究團隊依托REMA平臺精心設(shè)計并實施了一系列實驗，這些實驗覆蓋了多種復(fù)雜環(huán)境，具體包括在2D tube環(huán)境、3D tube環(huán)境和3D自由空間環(huán)境中驅(qū)動微型機器人。
 

　　1.碰撞約束場景下的不同帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型磁場控制研究
 

　　
 

　　為了驗證所提方法在不同場景中的適應(yīng)性，研究團隊特別關(guān)注了線圈構(gòu)型與人體之間的碰撞約束問題。圖6展示了微型機器人在人體模型中不同深度位置時，優(yōu)化得到的不同的帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型。
 

圖6. 考慮碰撞約束下的帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型驅(qū)動微型機器人
 

　　可以明顯看出，在兩種不同深度下，線圈構(gòu)型存在顯著差異，這是因為在優(yōu)化過程中考慮了線圈與人體之間可能發(fā)生的碰撞。實驗結(jié)果表明，在兩種不同的構(gòu)型下，機器人均展現(xiàn)出良好的運動性能，從而證明了該方法在磁場控制中的有效性。
 

　　2.帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型對梯度力影響的減弱作用研究
 

　　
 

　　非優(yōu)化線圈構(gòu)型可能會在機器人運動的反方向或者側(cè)面產(chǎn)生較大梯度力，進而阻礙其正常運動。為了證明這一影響是由梯度力引起的，研究人員生成了兩種線圈構(gòu)型：非優(yōu)化線圈構(gòu)型和帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型，并且設(shè)置了相同的目標磁場參數(shù)來驅(qū)動機器人在三維自由空間中運動。
 

圖7. 不同線圈構(gòu)型所產(chǎn)生的梯度力對機器人運動的影響
 

　　從圖7中的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：非優(yōu)化線圈構(gòu)型在機器人的運動反方向產(chǎn)生了較大的梯度力(94.3 mN),導(dǎo)致在0秒到12秒的三維空間中沒有產(chǎn)生有效位移(即stalling狀態(tài))。相比之下，帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型由于能夠保持磁場的各向同性，最大限度的消除梯度力(5.3mN)的影響，機器人能夠?qū)崿F(xiàn)正常運動。
 

　　3.帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型下機器人在3D空間中路徑跟蹤控制研究
 

　　
 

　　為了進一步驗證帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型在精準驅(qū)動微型機器人實現(xiàn)3D路徑跟蹤任務(wù)上的能力，研究人員利用雙目立體視覺實時追蹤機器人在3D空間中的位置信息，并借助純路徑跟蹤的控制方法來調(diào)控磁場參數(shù)，使機器人在3D空間中完成了精確路徑跟蹤。如圖8所示的結(jié)果表明，機器人能夠較好跟蹤預(yù)設(shè)的三維路徑，跟蹤誤差保持在較小范圍。
 

圖8. 帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型下機器人在3D空間中路徑跟蹤控制
 

　　4.實時生成帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型消除3D管道環(huán)境中梯度力影響的研究
 

　　
 

　　在之前的實驗過程中，線圈構(gòu)型一直保持不變，而在本實驗中，研究團隊展示了在機器人控制過程中如何從非優(yōu)化線圈構(gòu)型切換到帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型，以消除梯度力的影響。為了進行對比，在實驗前半段(圖9(a)，案例I和案例II中使用了相同的線圈構(gòu)型來驅(qū)動機器人。圖9(b)顯示，在這兩種案例下，機器人都受到了梯度力的影響，但在案例II中，當線圈構(gòu)型變換到帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型時，梯度力顯著降低(從61.4 mN下降到4.2 mN)，這種降低是因為優(yōu)化的線圈構(gòu)型有效地減輕了意外梯度力的影響，機器人恢復(fù)正常運動，如圖9(c)所示。
 

圖9. 帕累托最優(yōu)線圈構(gòu)型在3D管道環(huán)境中消除梯度力對機器人影響的對比實驗
 

　　上述各項實驗結(jié)果均有力地證明，研究團隊所提出的優(yōu)化策略及開發(fā)的系統(tǒng)在磁操縱領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能，同時展現(xiàn)出了極強的適應(yīng)性和可擴展性，能夠輕松應(yīng)對多樣化的可變環(huán)境挑戰(zhàn)。
 

　　盡管研究團隊已經(jīng)取得了顯著成果，但現(xiàn)有的方法仍面臨一些局限性，尤其是在生物流體環(huán)境等生理條件下的應(yīng)用亟待深入研究和解決。團隊將繼續(xù)推動磁驅(qū)動機器人及其驅(qū)動系統(tǒng)在更復(fù)雜、更多變場景中的應(yīng)用，積極探索創(chuàng)新方法，聚焦于開發(fā)基于人工智能驅(qū)動的磁控機器人系統(tǒng)，確保其在生物醫(yī)學及其他前沿領(lǐng)域中實現(xiàn)更加精準、可靠的運動控制，并進一步拓展應(yīng)用前景。