无线无源微型生物导弹技术研究

Very recently, the project principal investigator found that: a specific shape of the magnetostrictive elastic body can move like a snake in the high frequency alternating magnetic field .The move was named as "Snake Movement". It is a brand new type of wireless and passive movement. This new mechanism will bring revolutionary achievements in many engineering fields. The purpose of this project is to develop a low cost, wireless control micro scale biological missile technology for killing cancer tumors by adapting the principle of "Snake Movement". With the characteristic of Snake Movement, the micro scale biological missile, precisely controlled by high frequency alternating magnetic field, is able to move inside a human body for killing the cancer tumors by using the eddy heat released from the micro scale biological missile. The development of the micro scale biological missile technology provides doctors and patients a simple, cheap, and effective thermal therapy technique. Such technology will save a plenty of medical resources for government and also be relieved from high medical cost for patients and their families. To achieve the goal, the project intends to reveal the nature of "Snake Movement" and establish the dynamics theory which governs such movement; optimize the design of micro scale biological missiles; establish the theory and technology for precisely controlling the temperature of micro scale biological missiles; create the new technology for accurately controlling the movement of micro scale biological missile. This project will reveal the mystery of the "Snake Movement" and create a new breakthrough technology in thermal therapy of killing cancer tumor, and establish new technologies and theories on the development of wireless passive actuators.

最近,项目申请人在研究中发现：特定形状的磁致伸缩弹性体在高频交变磁场中可像蛇一样移动（称为蛇移运动），这是一种全新的无线无源的运动方式。这种新的运动机理将会在很多工程领域带来革命性成果。本项目旨在利用蛇移特性，研发一项全新的无线、无源、在人体内通过蛇移运动到达癌症肿瘤靶标，利用涡流释热灭杀癌症肿瘤的微型生物导弹技术，为医生和癌症患者提供一种操作简单、廉价、有效的物理治疗技术，为国家节约大量医疗资源，为患者家庭节省高额医疗费用。本项目在研究中拟揭示磁致伸缩弹性体在交变磁场中发生蛇移现象的物理原因和动力学本质；完善微型生物导弹结构的优化设计；建立高频电磁场对微型生物导弹温度精准控制的理论和技术；建立高频电磁场控制微型生物导弹运动的导控理论和技术。通过上述研究，将在热疗法治疗癌症肿瘤技术上取得新突破,在无线无源的运动方式上创建新技术、填补新理论.

本项目对微型生物导弹的“蛇移运动”和变温控制进行了系统研究。首次揭示了“蛇移运动”的内在物理本质和动力学规律，建立了电磁场对微型生物导弹精准导控及温度控制理论和技术。研究表明：“蛇移运动”是由特殊结构的磁致伸缩复合材料在高频交变磁场中做受迫振动时产生的非对称振型、谐振频率、复合材料弹性体的形变、与支撑体之间周期性碰撞、等效摩擦力等因素共同决定。首次定义了“蛇移临界频率”、“蛇移模态因子”及“蛇移动力因子”。这三个参数分别决定了 “蛇移运动”的启止频率、方向和加速度。研究了构成微型生物导弹的磁致伸缩复合材料层厚比、层长比对振动模态、“蛇移临界频率”和“蛇移动力因子”的影响规律，提出微型生物导弹结构优化设计准则。研究了多阶模态下不同质量载荷分布对磁致伸缩弹性体谐振特性的影响，从而确定微型生物导弹最佳药物载荷位置，完善了微型生物导弹的导控理论。制备出适用于“蛇移运动”高性能Fe-B磁致伸缩纤维并揭示了退火温度对纤维磁性能、谐振性能及品质因子的影响规律。从麦克斯韦方程出发，通过引入新的界面函数并采用双重傅里叶积分变换，首次完成了高频交变磁场在双层板状磁致伸缩复合材料内部的分布规律的理论研究。研究了电导率、介电常数和磁导率对磁致伸缩复合材料内部电磁场分布、涡流功率损耗的影响规律，为微型生物导弹的变温控制提供了理论支撑。上述理论成果为研发全新的无线、无源、在人体内通过“蛇移运动”到达癌症肿瘤靶标，利用涡流释热灭杀癌症肿瘤的微型生物导弹打下坚实的理论基础，在热疗法治疗癌症肿瘤技术上取得了新突破。.除此之外，我们还应用“蛇移运动”相关理论揭示了质量载荷分布对磁致伸缩生物传感器灵敏度的影响规律，并提出了灵敏度优化设计准则，为实现高灵敏度、无线、无源磁致伸缩生物传感器与驱动器一体化技术提供了坚实的理论支撑。基于上述研究内容，发表SCI论文8篇，申请发明专利5件，实用新型专利1件。