面向体内靶向运载的磁驱微型机器人精准操控机理与方法研究

Precise manipulation of microrobot in vivo is the key technical hurdle of many biomedical applications, such as drug targeted delivery and tissue repair. This project aims to develop a magnetic-driven system with integrated automation technology and electromagnetic coil system for precise delivery of microrobot carriers in vivo. Firstly, magnetic microrobot carriers will be design and fabricated, then the dynamic model of the microrobot under magnetic and flow fields coupling in vivo environment are investigated, based on which, a magnetic-driven automated manipulation approach and a robust control scheme are then developed. By incorporated with microrobot position and orientation measurement system, a magnetic-driven manipulation system is then developed for the precise manipulation of the microrobot carriers. The success of this study will substantially advance the application of magnetic microrobotics in the field of drug targeted delivery, treatment of cardiovascular and cerebrovascular disease, and tissue repair.

微型机器人在体内环境中的精准操控技术是靶向药物治疗以及组织修复等生物医学研究的关键技术，具有重要的研究意义。本课题针对体内微型机器人自动化精准操控这一难点问题，综合运用自动化技术与磁场驱动技术，开展体内环境中磁驱载体微型机器人自动化精准操控研究。首先从研究可载物微型机器人结构设计和制备入手，建立磁场与流体场耦合作用下被控微型机器人在体内作业的动力学模型，进而研究磁驱微型机器人自动化操控方案以及复杂体内环境下的鲁棒控制算法，结合微型机器人位置和姿态的实时图像反馈与预测，实现磁驱载体微型机器人在体内环境中的精准操控，为微型机器人精准操控技术的发展提供新的理论和方法，促进体内药物靶向运送、心脑血管疾病治疗、组织修复等生物医学研究领域的发展。

本课题面向体内微型机器人靶向药物输送、组织修复等实际需求，针对磁场驱动微型机器人的精准自动化操控的难点问题，首先设计并分析了微型机器人的结构与制备工艺，选择同时具有生物兼容性，生物可降解性，以及可用于三维激光雕刻技术的材料进行磁性载体微型机器人的制备加工；其次分析了体内磁驱微型机器人操控机理，建立了磁驱微型机器人在体内操控的动力学模型；进一步给出了体内环境中磁驱微型机器人的自动化操控方案以及鲁棒控制策略，对微型机器人在体内复杂环境下的精准位置及姿态进行控制，并结合仿真与实验验证了动力学模型及控制策略的有效性，实现了对载体微型机器人在模拟体内环境下的精准操控。该课题成果为体内微型机器人的精准操控提供了理论基础和研究手段，促进我国微型机器人在体内药物的靶向运输、组织修复等生物医学工程研究领域的发展。