课题基金 / 基金详情

血流环境中磁控微机器人的操控机理与导航控制方法研究

批准号:
61903269
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
牛福洲
依托单位:
学科分类:
机器人学与智能系统
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:

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项目成果

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中文摘要
磁控微机器人具有操控非接触性、微环境可达性和生物安全性,在药物靶向递送、微创介入诊疗等生物医学领域具有广泛的应用前景。本项目针对复杂血管网络环境中磁控微型机器人精确导航的关键问题,开展血流环境中磁控微机器人的操控机理与导航控制方法研究。研究磁场-血流场对微机器人的耦合作用机理,建立磁控微机器人系统动力学模型;基于计算机视觉,对微机器人位置信息进行检测和跟踪,建立反馈控制系统,规划血管网络中的导航路径,研究血流环境中磁控微机器人的导航控制方法;最后,基于去细胞化技术制备菠菜叶脉支架模拟血管网络环境,集成一体化磁控微型机器人操控系统,开展血管网络中机器人自主导航实验研究,验证操控机理和控制方法的有效性,并根据实验结果优化控制算法,提高导航的可靠性。本课题的研究成果将为磁控微机器人的体内导航提供理论依据和技术支撑,有望为微创介入诊疗等应用带来新的解决方案,具有重要的科学意义和实际应用价值。
英文摘要
Benefitting from non-contact manipulation, flexibility in the confined micro-environment and safety in in-vivo circulation system, magnetic-driven microrobots can navigate into in-vivo environment for diverse minimally invasive therapeutic and diagnostic applications. To meet with requirements of those applications, the control strategy of magnetic-driven microrobots in the complex blood flow environment is a most challenging task. This project aims at developing a control algorithm for automated in-vivo navigation of magnetic-driven microrobots using an enhanced magnetically microrobotic manipulation system which contains an integrated bionic blood microfluidic chip made of decellularized plants engineering scaffold. Firstly, the forces acting on the microrobot under the coupling magnetic and fluidic environment are studied, and the dynamics analysis of the microrobot is investigated. Secondly, via the feedback imaging of the microrobot and the fluidic environment, the micro-robot navigation control strategy in the fluid environment is developed. Finally, an integrated electromagnetic microrobotic manipulation system is designed and fabricated which consists magnetic field generation module, image visual feedback module, bionic blood microfluidic chip, then simulation and experiments are performed to verify both the efficiency of the navigation strategy and the capacity of the system. According to the results, the controller parameters and the algorithm can be optimized to achieve precise control. The research results of this project will provide a theoretical basis for the in vivo navigation of magnetic-driven microrobots, and likely to bring new solutions for drug targeted delivery and interventional therapy in practice.
本项目面向复杂的血流环境中的多种扰动和不确定性容易引发微型机器人在血管网络中的导航失败,导致目标靶点的诊疗任务失败的实际问题,研究血流环境中磁控微机器人的操控机理和导航控制方法。优化设计了带铁芯电线圈磁铁的空间多阵列磁源分布磁场,使用经典笛卡尔坐标系分布,建成加强型梯度磁场发生模块,并使用分析法和仿真法实现了磁场分布的计算;研究了开放、管道液态环境中磁控微机器人中的动力学数理模型,明晰了磁场-流场耦合作用下的微机器人的操控机理;设计、制备了磁性微球及一种多孔状带突触的磁性微机器人,表征了其相关磁学参数;建成了以定焦变倍光学镜头组、CCD相机为硬件核心,图像处理及运动控制算法为软件核心的图像视觉识别反馈系统,实现了开放、管道液态环境中预设轨迹跟踪及目标点位的运动控制;设计、制备了微流控芯片,可模块化集成在所构建的磁控微机器人操控系统中;设计了PID、滑模等控制算法,实验验证了微机器人在液态环境下鲁棒的自主导航。形成多线圈阵列磁控平台、经梯度强化的磁控微机器人操控系统产品样机各1套。技术指标完成情况:实现可控外磁场参数,磁感应强度~300mT, ~梯度12T/m;工作空间,80mm球形区域;微型机器人驱动精度1微米,游动速度~500微米/秒;微型机器人在复杂血管环境内磁控微机器人的目标血管的成功率>95%。形成基于组织去细胞化技术制备仿真血管网络工艺1套。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Quantitative Investigation of the Link between Actin Cytoskeleton Dynamics and Cellular Behavior.
肌动蛋白细胞骨架动力学与细胞行为之间联系的定量研究
DOI: 10.3390/mi13111885
发表时间: 2022-11-01
期刊: Micromachines
影响因子: 3.4
作者: [Li Y, Zhuang X, Niu F]
通讯作者: Niu F
3D‐Printed Light‐Driven Microswimmer with Built‐In Micromotors
3D打印光驱动微型游泳器,内置微型电机
DOI: 10.1002/admt.202100687
发表时间: 2021-09
期刊: Advanced Materials Technologies
影响因子: 6.8
作者: [Yin Chen, Huanhua Yang, Mingliang Li, Shilu Zhu, Shuo Chen, Liuyi Dong, Fuzhou Niu, Runhuai Yang]
通讯作者: Runhuai Yang
Three-Dimensional Silk Fibroin/Chitosan Based Microscaffold for Anticancer Drug Screening.
用于抗癌药物筛选的三维丝素蛋白/壳聚糖微支架
DOI: 10.3389/fbioe.2022.800830
发表时间: 2022
期刊: Frontiers in bioengineering and biotechnology
影响因子: 5.7
作者: [Niu H, Xiao J, Lou X, Guo L, Zhang Y, Yang R, Yang H, Wang S, Niu F]
通讯作者: Niu F
DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103642
发表时间: 2022
期刊: Materials today communications
影响因子:
作者: [Yang Zhang, Yun Qiu, Fuzhou Niu, A.S. Ademiloye]
通讯作者: A.S. Ademiloye
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    自动扶梯人行道高制动驱动装置的研发
    • 批准号:
      --
    • 项目类别:
      省市级项目
    • 资助金额:
      0.0万元
    • 批准年份:
      2026
    • 负责人:
      牛福洲
    • 依托单位:
    基于多元生物材料及原位磁畴调控的细胞递送仿生软体磁控微型机器人研究
    • 批准号:
      --
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      0万元
    • 批准年份:
      2024
    • 负责人:
      牛福洲
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金