CN116276893A - 针尖状纳米颗粒集群微型机器人及其控制制备方法 - Google Patents

Abstract

本案涉及一种针尖状纳米颗粒集群微型机器人及其控制制备方法，属于医疗机器人。本案提出的微型机器人呈针尖状，由纳米颗粒链聚集而成，每条纳米颗粒链由磁性纳米颗粒聚集而成，每个磁性纳米颗粒直径约300nm～600nm，制作过程简单，通过磁场就可以使磁性纳米颗粒自动组装聚集，不需要额外的操作；通过磁控的方式使其运动，运动响应性能好，可操控性好；在均匀磁场中的运动模式包括翻转运动、轴向运动和侧向运动，可以应对更加复杂的体内环境。

Description

针尖状纳米颗粒集群微型机器人及其控制制备方法

技术领域

本发明涉及医疗机器人，尤其涉及一种针尖状纳米颗粒集群微型机器人及其控制制备方法。

背景技术

过去的十多年间，不受束缚的、能够独立运动的小尺度(微米到毫米)微型机器人被应用于各种微小尺度的体内和体外任务，如靶向给药、微创手术，以及微操作与微组装等。磁场不仅对人体无害，而且可以更加灵活地控制微型机器人，所以各种磁控微型机器人已经被科研工作者广泛研究。然而，单个微型机器人的负载能力有限，在执行药物递送或其他运输任务时效率低下，难以完成微型机器人集群能够完成的任务。由纳米颗粒聚合而成的集群微型机器人具备自组装和变形的能力，而如何使集群产生特定的形状以及如何控制其完成更加复杂的运动仍然是一个挑战。

现有的集群微型机器人种类较少，也有不同的驱动方式，比如CN201710441229.2所提到的群体微型机器人采用电场驱动，单个机器人身上装有用于个体间通信的电路板，这种机器人可以保证充电和供电同时进行，但是机器人的尺寸达到了厘米级，无法在体内进行应用。由纳米颗粒组成的集群微型机器人可以通过控制纳米颗粒的数量来形成特定大小的微型机器人，从而满足于体内应用的各种环境。CN201911009990.4中提出了一种由50nm左右的球形纳米颗粒组成大小为300-900nm的微型机器人，纳米颗粒包裹了用于治疗疾病的化学药物，微型机器人会在酸性Ph(肿瘤组织附近)中溶解，从而释放药物，达到靶向治疗的目的，但这种微型机器人只能通过体液来运输，无法实现定向控制。目前采用较为广泛的是可以通过磁场来操控的Fe₃O₄纳米颗粒，磁场可以产生力和力矩，从而控制微型机器人的运动。通过磁力驱动的纳米颗粒集群微型机器人比如CN202110817860.4中设计出了一种任意形状的微型机器人，其通过光固化将Fe₃O₄纳米颗粒和其他的化学药物组合在一起，用于承载和递送细胞。虽然其载药性能好，但是制作过程复杂，而且一般只能通过梯度磁场来驱动。CN202010562359.3提出了一种集群磁控的仿趋磁菌微型机器人，磁性纳米颗粒在磁场的作用下可以排列为规则的线状，其在均匀旋转磁场中会受到力矩的作用，可以实现精准的轨迹控制，从而能够应用于靶向微血管溶栓和靶向干细胞运输中。但这类机器人的运动模式单一，无法应对复杂的体内环境。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提出一种针尖状集群微型机器人，其制备简单，能在磁场中自动聚集而形成针状，通过磁控的方式使其运动，运动响应性能好，可操控性好；在均匀磁场中可以有三种运动模式：翻转运动、轴向运动或侧向运动，可以应对更加复杂的体内环境。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下。

第一方面，本案提出一种针尖状纳米颗粒集群微型机器人，所述微型机器人呈针尖状，由纳米颗粒链聚集而成，每条纳米颗粒链由磁性纳米颗粒聚集而成，每个磁性纳米颗粒直径范围为300nm～600nm；所述微型机器人在均匀磁场中的运动模式包括翻转运动、轴向运动或侧向运动。

在上述技术方案中的一种实施方式中，微型机器人由直径范围仅为300nm～600nm的四氧化三铁纳米颗粒聚集而成，可以通过控制四氧化三铁纳米颗粒的数量来形成不同长度的针尖状微型机器人，从而满足于体内应用的各种环境。微型机器人在均匀磁场中的运动模式包括翻转运动、轴向运动或侧向运动，使得微型机器人能够根据体内环境，通过改变磁场，以及通过磁场控制针尖状纳米颗粒集群微型机器人是否与接触面接触产生摩擦，能够使微型机器人在轴向运动与侧向运动两种运动模式之间进行调整，从而使微型机器人既可以定向控制，又具有翻越障碍的能力，从而实现在崎岖物体表面的运动，增加了微型机器人在复杂环境中运动的灵活性。

在一种具体实施方式中，控制均匀磁场为扇形震荡磁场，微型机器人进行轴向运动或侧向运动。在一种具体实施方式中，控制均匀磁场为旋转磁场且当磁场的旋转频率低于微型机器人的断裂频率时，微型机器人进行翻转运动。在一种具体实施方式中，通过控制磁场合并多个纳米颗粒链，形成长度大于障碍物高度的新的微型机器人，微型机器人能够翻越高度大于自身长度的障碍物。在一种具体实施方式中，控制均匀磁场为旋转磁场且当磁场的旋转频率高于微型机器人的断裂频率时，微型机器人***成多个新的微型机器人。

第二方面，本案提出一种针尖状磁控纳米颗粒集群微型机器人的制备方法，所述方法包括下述步骤：

将直径范围为300nm～600nm的磁性纳米颗粒溶液进行超声浴；

在超声浴后，取一滴摇匀后的磁性纳米颗粒溶液，放入装有去离子水的透明水槽容器中；

将永磁体置于容器底部，通过移动永磁体使得磁性纳米颗粒聚集于容器中心部位；

使容器处于三维亥姆霍兹线圈***产生的均匀磁场中，每个纳米颗粒在磁吸引力的作用下形成纳米颗粒链；

向容器施加均匀的扇形震荡磁场，使纳米颗粒链聚集形成针尖状纳米颗粒集群。

在上述技术方案中，均匀磁场的大小为15mT。

在上述技术方案中，超声浴至少20分钟。在一个实施例中，超声浴时间设置为20分钟。在一个实施例中，磁性纳米颗粒直径为500nm。

在上述技术方案中，纳米颗粒链在聚合过程中的运动方程如下：

式中：m_i为第i条纳米颗粒链的质量，p_i(t)是纳米颗粒链随时间变化的实时位置，

为第i条纳米颗粒链与其相邻一条纳米颗粒链之间的磁场力，/>

和/>

分别为流体阻力、纳米颗粒链与接触面之间的摩擦力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1、一种实施方式中磁场控制***框图示意图；

图2、一种实施方式中所用三维亥姆霍兹线圈***实物示意图；

图3、一种实施方式中扇形震荡磁场示意图；

图4、一种实施方式中在扇形振荡磁场下纳米颗粒短链形成针尖状集群微型机器人的过程示意图；

图5、一种实施方式中纳米颗粒微型机器人的轴向运动示意图；

图6、一种实施方式中纳米颗粒微型机器人的侧向运动示意图；

图7、一种实施方式中纳米颗粒微型机器人的翻滚运动示意图；

图8、一种实施方式中单个纳米颗粒微型机器人翻越低于其自身长度的障碍物示意图；

图9、一种实施方式中多个纳米颗粒微型机器人合并翻越障碍物示意图。

具体实施方式

现有的磁控纳米颗粒集群微型机器人包含了多种类型，但从其制备方法和操控性能来说仍有缺陷，比如通过光固化制作的能包裹药物的球状纳米颗粒集群微型机器人，虽然其载药性能好，但是制作过程复杂，而且一般只能通过梯度磁场来驱动。链状的纳米颗粒集群微型机器人可以在均匀的旋转磁场中翻滚向前，但运动模式单一，无法应对复杂的体内环境。因此，本案提出一种制备简单的针尖状纳米颗粒集群微型机器人，能在磁场中自动聚集而成，尺寸可控制在毫米级别，长度在1mm～5mm的范围，从而满足于体内应用的各种环境。该微型机器人由纳米颗粒链聚集而成，每条纳米颗粒链由磁性纳米颗粒聚集而成，每个磁性纳米颗粒直径范围为300nm～600nm；所述微型机器人运动响应性能好，可操控性好，在均匀磁场中的运动模式包括翻转运动、轴向运动或侧向运动。

下面实施方式以直径为500nm的Fe₃O₄纳米颗粒为例，阐述本案微型机器人的制备方法，及其运动状态的控制和分析。

本案微型机器人在制备时使用的磁场控制装置是三维亥姆霍兹线圈***，三维亥姆霍兹线圈是用于产生均匀磁场的特定装置，通过控制三对线圈中的电流可以在工作空间中产生任意方向的磁场。附图1为本案实施时所使用的控制***框图示意图，通过驱动控制程序产生控制信号来调整线圈中的电流，当控制电流呈正弦变化时，可以在工作空间中产生均匀的震荡磁场和旋转磁场，磁场大小为15mT，微型机器人在磁场作用下的运动状态被相机捕捉并反馈给计算机显示画面。附图2为本发明实验所用三维亥姆霍兹线圈***实物示意图。

针尖状纳米颗粒集群微型机器人的制备方法如下，步骤包括：

1)将直径为500nm的四氧化三铁颗粒溶液进行超声浴20分钟；

2)用移液枪取一滴摇匀后的四氧化三铁颗粒溶液放入装有去离子水的透明水槽容器中；

3)将永磁体置于容器底部移动使得颗粒聚集于容器中心部位；

4)将容器放入磁驱动平台的工作空间中；

5)通过驱动控制程序控制线圈在工作空间中产生如附图3所示的扇形震荡磁场。

图3中的x轴、y轴、z轴的正方向确定方法为：伸出右手，使x轴的正向穿过手心，拇指指向为z轴正向，其余四指方向为y轴正向。后述涉及x轴、y轴、z轴的正方向确定与此处相同。

按上述过程制备的微型机器人如图2中的微型机器人所示，该微型机器人约1.5mm左右。

本案中微型机器人的形成原理为：本案中所使用的四氧化三铁纳米颗粒的磁性表现为软磁性，所以当外界驱动磁场存在时，每个纳米颗粒将产生沿外界磁场方向的磁矩，进而靠近的纳米颗粒在磁吸引力的作用下形成纳米颗粒短链，多个纳米颗粒短链聚集形成微型机器人。

在制备微型机器人的一种实施方式中，磁场大小为15mT。由于纳米颗粒短链之间磁力而吸引在一起，磁场大小会影响所能形成的微型机器人的最大长度，磁场强度越大，所能形成的微型机器人的最大长度越长。

图4为在扇形震荡磁场下纳米颗粒短链形成针尖状集群微型机器人的过程示意图。纳米颗粒在磁场下由于被磁化而形成磁偶极子，相互靠近的磁偶极子会在磁力的吸引下而聚集在一起，所以一开始在磁场的作用下，纳米颗粒就会自发的聚集成短链。短链的长短粗细与纳米颗粒的材料、直径以及外部磁场有关。在本案中，针对500nm四氧化三铁纳米颗粒，在15mT的磁场大小下，形成的短链长约0.5mm左右。在图4(a)部分中，有两条短链i和j，它们分别都有一个确定的磁化方向M。第i条纳米颗粒链的运动方程可以写为：

式中：m_i为纳米颗粒链的质量，p_i(t)是纳米颗粒链随时间变化的实时位置。

为纳米颗粒链i受到的磁场力，在图4中为纳米颗粒链i和j之间的磁场力，/>

和/>

分别为流体阻力和纳米颗粒链与接触面(比如血管壁、肠道壁等)之间的摩擦力。

当施加扇形震荡磁场时，两条纳米颗粒短链极性相反的两端会吸引在一起。若两条纳米颗粒短链相反极性之间的重叠部分l_o过小，则纳米颗粒短链之间会产生磁排斥力，如附图4(a)所示。在排斥力下，两条纳米颗粒短链相同极性的重叠部分减小，相反极性的重叠部分增多，从而磁排斥力会转化为磁吸引力，如附图4(b)所示。在吸引力的作用下，两条纳米颗粒短链聚集在一起。如附图4(c)所示，两条纳米颗粒短链在扇形震荡磁场作用下磁化方向会保持一致，它们跟随磁场的方向而旋转，此时会出现相反极性的两端相互吸引而导致两条纳米颗粒短链聚集在一起，聚集后形成的纳米链的中间段***，而由于两端维持原状，最后形成了针状。很多组这样的纳米颗粒链聚集在一起形成针尖状的纳米颗粒集群。最终形成的微型机器人实物图如附图4(d)所示，形成了肉眼可见的长度约1.5m的机器人，对于这个机器人，若纳米颗粒的直径约500nm，大致需要3×10³个纳米颗粒。

本案中的纳米颗粒集群微型机器人具备三种运动模式，分别是轴向运动、侧向运动和翻滚运动。

为了简化分析，以一条纳米颗粒链为基本的分析单元。

(1)轴向运动

微型机器人的轴向运动类似于自然界中生物的粘滑运动，利用微型机器人与接触面的摩擦力来推动机器人前进，接触面比如血管壁。

图5示意了轴向运动的过程。当施加振幅为π、振荡频率范围为15-20Hz的垂直振荡磁场时，微型机器人沿着其长轴在X-Y平面的水平分量方向运动作为轴向运动。图5(a)中，n和u是垂直于X-Y平面的一组正交基向量，α_a为磁场的俯仰角。在微型机器人运动的某个时刻，微型机器人前进方向与X轴方向的夹角θ_a，此时微型机器人的受力分析与步态分析分别如图5(b)和图5(c)所示。在图5(b)中各个力的作用下，可以得出如下动力学关系：

式中，F_Γ是在外部磁场下排成链的纳米颗粒之间产生的磁力的合力，其方向沿着磁场B的振荡轨迹的切线方向。微型机器人的其它受力分别为重力G，支持力N，浮力L_h，摩擦力F_f，以及粘性阻力F_h。J是微型机器人的极转动惯量，Γ_m和Γ_h分别为微机器人的驱动磁力矩和其反向作用的流体阻力矩。上述力的合力驱动微型机器人向前运动。

(2)侧向运动

当把附图5(a)中的震荡磁场绕X轴旋转角度α_l(如附图6(a)所示)，则微型机器人将沿着其短轴方向进行侧向运动，其受力和运动步态分析原理图如图6(b)(c)所示。与轴向运动时类似，纳米颗粒微型机器人能够很好地跟随外部磁场运动，直到纳米颗粒链末端与容器基底接触。此时，纳米颗粒链的一端在与基底接触后，另一端若其受到的容器基底的摩擦力和流体的粘性阻力不够与受到的磁力矩平衡，那么纳米颗粒链会在磁场的作用下又会抬起，从而使微型机器人在F_Γ的水平分量的作用下，驱动微型机器人在其短轴方向上产生位移前进，即形成了侧向运动。

(3)翻转运动

当施加旋转平面与水平面(XY平面)垂直的大小为15mT频率为3-4Hz左右的旋转磁场(如附图7(a)所示)时，针状纳米颗粒集群微型机器人将进行翻滚运动。翻滚运动的受力分析如图7(b)所示，微型机器人的磁矩m_neg和夹角β有关，m_net可以表示为：

式中，标量m_net为净磁矩的大小。

由于净磁矩m_net总是倾向于与旋转磁场B的方向一致，因此当B开始旋转后，会产生一个旋转力矩Γ_tum，Γ_tum可以被写为：

Γ_tum＝[0 1 0](m_net×B)＝m_netB sin(2πft-β)

由图7(b)和上述公式可得，Γ_tum的大小取决于m_ｎｅｔ和B之间的夹角，以及它们的大小。与轴向运动类似，扭矩产生圆周力，其反作用力F_tum是驱动微型机器人滚转的驱动力，翻滚运动的步态分析如图7(c)所示。当磁场的旋转频率较小时，微型机器人的旋转角速度可以跟上旋转频率，但是当旋转频率较大时，由于摩擦阻力的存在，微型机器人会发生断裂，所以存在一个断裂频率，磁场的旋转频率需要低于这个断裂频率才能使微型机器人进行正常的翻滚运动，该断裂频率可以通过实验来测得。

如图8所示，在纳米颗粒微型机器人的长度大于障碍物的长度时，微型机器人可以轻松地翻越障碍物，并维持稳定的结构。图8中，纳米颗粒微型机器人起初以轴向运动向障碍物方向运动，直至微型机器人被障碍物阻挡，之后改轴向运动模态为翻滚运动模态，并成功地翻越了所有的台阶障碍物。然而，纳米颗粒微型机器人无法直接翻越高度大于其自身长度的障碍物。在这种情况下，可以通过控制磁场大小和/或方向，以合并多个纳米颗粒链的方式，或者说将多个微型机器人进行合并，形成长度大于障碍物高度的新的纳米颗粒微型机器人，从而翻越障碍物，该过程的示意图如图9所示。

在该模式下，针尖状纳米颗粒集群微型机器人具有翻越障碍的能力，从而实现在崎岖物体表面的运动，这增加了微型机器人在复杂环境中运动的灵活性。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种针尖状纳米颗粒集群微型机器人，其特征在于，所述微型机器人呈针尖状，由纳米颗粒链聚集而成，每条纳米颗粒链由磁性纳米颗粒聚集而成，每个磁性纳米颗粒直径范围为300nm～600nm；所述微型机器人在均匀磁场中的运动模式包括翻转运动、轴向运动或侧向运动。

2.根据权利要求1所述的微型机器人，其特征在于，所述磁性纳米颗粒为四氧化三铁纳米颗粒。

3.一种针尖状纳米颗粒集群微型机器人的控制方法，其特征在于：

当控制均匀磁场为扇形震荡磁场时，微型机器人进行轴向运动或侧向运动；

当控制均匀磁场为旋转磁场时且当磁场的旋转频率低于微型机器人的断裂频率时，微型机器人进行翻转运动；

当控制均匀磁场为旋转磁场时且当磁场的旋转频率高于微型机器人的断裂频率时，微型机器人***成多个新的微型机器人；

所述微型机器人由纳米颗粒链聚集而成，每条纳米颗粒链由磁性纳米颗粒聚集而成，每个磁性纳米颗粒直径范围为300nm～600nm；通过控制磁性纳米颗粒的数量来形成不同长度的针尖状微型机器人。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，通过调整扇形震荡磁场的方向、调控微型机器人与接触面之间是否产生摩擦，能够使微型机器人在轴向运动与侧向运动两种运动模式之间进行调整。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，通过控制磁场合并多个纳米颗粒链，形成长度大于障碍物高度的新的微型机器人，微型机器人能够翻越高度大于自身长度的障碍物。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，均匀磁场的大小为15mT。

7.一种针尖状磁控纳米颗粒集群微型机器人的制备方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

将直径范围为300nm～600nm的磁性纳米颗粒溶液进行超声浴；

在超声浴后，取一滴摇匀后的磁性纳米颗粒溶液，放入装有去离子水的透明水槽容器中；

将永磁体置于容器底部，通过移动永磁体使得磁性纳米颗粒聚集于容器中心部位；

使容器处于均匀磁场中，每个纳米颗粒在磁吸引力的作用下形成纳米颗粒链；

向容器施加均匀的扇形震荡磁场，使纳米颗粒链聚集形成针尖状纳米颗粒集群。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，超声浴至少20分钟。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述磁性纳米颗粒直径为500nm。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，纳米颗粒链在聚合过程中的运动方程如下：

式中：m_i为第i条纳米颗粒链的质量，p_i(t)是纳米颗粒链随时间变化的实时位置，

为第i条纳米颗粒链与其相邻一条纳米颗粒链之间的磁场力，/>

和/>

分别为流体阻力、纳米颗粒链与接触面之间的摩擦力。

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