微型機器人可以有幾個有用的應用，特別是在生物醫(yī)學和醫(yī)療保健環(huán)境中。例如，由于它們的體積小，這些小型機器可以插入人體內，允許醫(yī)生遠程進行檢查或操作受疾病影響的區(qū)域。
然而，由于人體內流體流動的模式，開發(fā)能夠在醫(yī)學環(huán)境中有效運動微機器人的方法是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。為了克服這一挑戰(zhàn)，過去的研究已經提出使用可以在表面上滾動的輪形機器，因為它們的結構允許增強的推進力和更快的平移速度。
盡管他們有希望，但研究結果表明這些機器人在平面上移動不良并經?；瑒印Ｔ诳茖W機器人學的一項有趣的新研究中，科羅拉多礦業(yè)學院和科羅拉多大學丹佛分校的一組研究人員提出了一種新方法，可以幫助增強微型機器人在潮濕表面上的運動。
“由于小規(guī)模流體動力學的基本限制，小型機器難以游泳，我們試圖通過開發(fā)基于輪子的方法和在可用表面上行駛來克服這一限制，”David Marr教授，其中一位研究員進行這項研究，告訴TechXplore。“這些方法相對有效，[但]因為車身內的表面是潮濕的，我們的車輪往往會滑動并以理論最大值的10％左右行駛。這項工作的想法是開發(fā)一種防止車輪打滑的方法像齒輪一樣安裝在行程表面上，實際上可以消除滑動，從而顯著加快平移速度。“
Marr教授和他的同事從道路和車輪背后的數(shù)學中汲取靈感，將這些計算應用于小輪形機器人。他們發(fā)現(xiàn)，機器人操作的“微型” 的地形（即物理特征）的特定變化允許微型磁帶達到更高的速度。
研究人員觀察到，機器人行進的微小齒輪周期性顛簸可以改善微小輪子和附近墻壁之間的牽引力。在潮濕的平坦表面上，車輪往往會滑動。因此，較崎嶇的道路導致由具有滑動和防滑翻轉的旋轉組成的運動模式。這顯著提高了車輪的平移速度，機器人的移動速度比平面上的速度快四倍。
“特定形狀和尺寸的車輪完美地適合特定設計形狀的道路，”Marr教授解釋道。“在圓形輪和平坦的道路匹配時，非圓形輪子與路面上的特定凸起相匹配。最終的目標是開發(fā)更好地匹配體內表面的輪子，從而在必須快速進行治療的疾病中實現(xiàn)更快的治療， 例如。”
將方形車輪放在汽車上可能看起來像是一種反直覺且低效的改善其運動的方式。然而，正如Marr教授所解釋的那樣，為微型電池操作的表面充分鋪設通常很困難，因此，在這些情況下，非圓形的輪子設計實際上是有益的。
(沿著軌跡方向在地形表面上的3D磁場下的二聚體的形態(tài)。圖片來源：Sci)
“我們的工作揭示了微孔和非光滑表面之間重要的流體動力學相互作用，而文獻中的大部分工作主要集中在平面上微機器人的推進，”參與研究的另一位研究員吳寧教授告訴TechXplore。“我們研究結果的一個應用是基于對稱而不是尺寸來分離微觀物體。”
Marr，Wu及其同事收集的調查結果可能會產生一些實際意義。例如，研究人員觀察到方形和菱形微型滾輪在平坦的表面上以相似的速度滾動，但在顛簸的道路上以非常不同的速度滾動。
(在平坦表面上的3D磁場下移動7聚體和5聚體。圖片來源：Yang，Sci)
這種簡單的觀察可以為微型飛機將在其上運行的表面的戰(zhàn)略設計提供信息，最終根據(jù)車輪的形狀增強其運動。在崎嶇不平的表面上實現(xiàn)這些小型機器的更快旋轉還可以簡化它們在人體的特定區(qū)域中行進時的操縱，例如部分阻塞的血管網絡。
Marr，Wu及其同事最近的論文提供了新的見解，可以指導開發(fā)更有效的微生物用于生物醫(yī)學目的。在他們未來的工作中，研究人員計劃探索另外兩個可以產生額外有價值觀察的研究方向。
“首先，我們將利用地形圖案化的基板在對稱性和尺寸上分離微米和納米級粒子，因為我們已經證明它們可以以不同的速度滾動，”吳教授說。“然后，分離的顆?？梢杂米髦圃炀哂杏腥す馕镔|相互作用的光子結構的構件。另一個方向是制造微軟材料，如可以封裝藥物的液滴。我們的最終目標是在復雜的環(huán)境中操縱這些軟輪血管網絡并用它們來運送藥物。“
