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user: 2. 血管机器人研究现状 由于血管大量的分支与血管内复杂的血液环境，对血管机器人要求高、设计难度大，许多关键技术还待进一步解决，血管机器人的功能也待进一步完善，目前可应用于心血管疾病介入治疗的血管机器人并不多。但随着近几年来微纳领域科学与技术的不断发展，电子元件不断的微小化与集成化，也推动了MEMS (微电子机械系统)技术的发展，许多血管机器人纷纷问世。目前，血管机器人主要分为两种级别：一种是纳米尺度的纳米机器人，另一种是微米至毫米尺度的MEMS机器人。 2.1. 纳米血管机器人 纳米机器人是一种在微纳米尺度上应用生物学原理设计的分子机器人，具有成像、操纵、表征机械特性和跟踪的多种功能，使得医生能够从微观甚至分子水平进行血管的诊断和治疗。纳米机器人也可用于对活细胞进行复杂的纳米手术，实现在血管中进行的诊疗，有着血管介入治疗等医疗领域的应用前景。 2000年，瑞典的学者Edwin W.H. Jager研制出一种纳米级的微机器人 [ 1 ] ，如图1所示，该机器人以黄金和多层聚合物制成，有着2至4个类似人类手指的灵活部件。该纳米微机器人能捡起并移动肉眼看不见的玻璃珠，在细胞介质和体液中捕捉和移动单个细胞，可应用在血管疾病的诊疗中。 图1. 纳米微型机器人 2006年，日本东京大学的科研人员将２个分子机器人进行组装，制作了一个形状像“钳子”的分子机器复合体，该复合体以紫外线和可见光作为驱动力，能够穿行于血管之中杀死癌细胞。2007年，韩国科学家研制出一种动脉微型机器人，该机器人随着心肌肌肉细胞的收缩而移动，可用于药物投放和血管疏通等医疗应用。2010年，中科院上海硅酸盐研究所的施剑林等人研制出了直径只有200 nm的“纳米药物分子运输车” [ 2 ] ，这辆纳米药物分子运输车不仅仅可以运输药物，还可以实现治疗过程的监控。 2010年，哥伦比亚大学的科研人员研制出一种“纳米蜘蛛”微型机器人 [ 3 ] ，如图2所示，该机器人由DNA分子构成，大小只有4 nm。具有沿着DNA的运行轨迹移动的能力，可用于血管的介入诊疗，协助医生完成手术。 图2. “纳米蜘蛛”微型机器人 2015年，Li等学者提出并研制开发出了混合动力驱动微机器人 [ 4 ] ，如图3所示。该机器人由鞭毛细菌和电磁场结合驱动的，依靠电磁场控制的路径和细菌的趋化性及运动性，使得机器人能在血管内进行有效移动，由于电磁制动系统的驱动力较大、高速可控，细菌致动系统具有主动靶向性，有望用于药物运输等医疗领域。 图3. 混合动力驱动微机器人 2.2. MEMS血管机器人 除了纳米血管机器人，MEMS机器人也是国内外血管机器人研究的热点之一。随着MEMS技术的不断发展，人们已经可以加工越来越小的机器人。MEMS机器人可进入很小的器官和组织，并具有自动进行细微精确操作的特点，可大大提高介入治疗的精度，MEMS机器人直接进入相应病变区域进行工作，降低手术风险 [ 5 ] 。 2.2.1. 仿生蠕动机器人 为了满足微型机器人驱动器尺寸小、功重比高的要求，通常采用直接驱动，减小传递链。蠕动运动方式是借鉴蚯蚓和线虫运动的原理，通过伸缩引起形状变化和重心移动，实现缓慢伸缩运动，这种运动方式不损伤脆弱的血管内壁。蠕动为一类有利于微小型机器人实现的移动方式 [ 6 ] ，微小化的蠕动机器人可以进入血管中进行诊疗。 2009年，日本Yuichi和Nakazato等人研制了一种仿蚯蚓有缆血管机器人 [ 7 ] ，如图4所示。该机器人能够通过使用液压，特别是使用生理盐水溶液作为作用流体，通过反复扩张和收缩的蠕动运动，可在2 mm~3 mm直径的血管中移动。类似于蚯蚓和线虫的蠕动，引起形状变化和重心移动，导致伸展波传播，从而实现运动而不损害脆弱的血管内壁。 图4. 仿蚯蚓血管机器人 2009年，国防科技大学徐从启等人研制一种蠕动式微小管内机器人 [ 8 ] ，如图5所示，该机器人采用三组直流减速电机和螺杆传动装置，机器人能适应18 mm~20 mm的管径。机器人的蠕动爬行是通过控制三组电机顺序协调动作。该机器人由三个组成单元，包括前后爪单元和中间的蠕动单元，都由直流减速电机驱动，三单元由换向节连接。该机器人负载能力大，能双向移动。 图5. 新型蠕动式微小管内机器人 2014年，日本正平上野等人研制了一种电共轭流体微型蠕动机器，这个微型的机器人长32 mm，宽8.5 mm，重量约为1.9 g。如图6所示，该机器人通过使用(安电共轭流体)ECF作为动力来源，实现一种微型的尺蠖机器人 [ 9 ] 。该机器人通过不断地弯曲和拉伸中间的“肌肉”来获得驱动力，实验表明该机器人在平面上有良好的移动速度。 图6. 电共轭流体微型蠕动机器人 蠕动驱动方式有着结构简单，驱动力大，能耗小等优点。但机器人运动过程中与人体血管壁之间摩擦力一旦过大，对血管壁还是有损伤。而仿生游动机器人有着较高的性能，对于血管的损伤可以降至较小水平。能在人体液体中自由移动，通过模仿微生物完成一些生物医学操作。仿生游动机器人可以在体内药物输送、疾病早期症状监测等医学应用中发挥作用。 2.2.2. 仿生游动机器人 目前，仿生游动机器人是国内外研究的热点，游动机器人有很多不同的驱动方式，主要有压电材料、形状记忆合金(SMA)、应用 IPMC 高分子材料、应用IEM-pt高分子材料等材料驱动的游动血管机器人。 1997年，美国Mojarrad等人研制出了一种新型的仿生鱼形推进装置 [ 10 ] ，如图7所示，该仿生鱼形机器人以IEM-Pt为致动器。原理是在IEM-Pt薄膜上化学镀铂，所得到的膜被切割成条状，类似于鱼尾鳍，可作为一种推进结构装置，在液体中推动微型机器人。这种聚电解质离子交换膜−金属复合人工肌肉有望运用到血管机器人的结构上。 图7. IEM-Pt 驱动仿生鱼形机器人 2002年，Kazuhiro Tsuruta等人研制了一种利用压电陶瓷驱动的管道无线微型机器人 [ 11 ] ，如图8所示，机器人可在直径为10mm的管道中移动，并可对管道内进行观察。利用微电子器件技术，已开发出高性能微器件用于微型机器人，成功地实现了管道内无线移动和每秒2帧的无线图像数据通信。 图8. 压电陶瓷驱动的管道无线微型机器人 2005年，日本香川和哈尔滨工程大学根据仿生学模仿游动并结合爬行机制的原理研制了一种利用IPEC驱动的水下微型机器人 [ 12 ] ，如图9所示，该机器人长40 mm，宽10 mm。水下微型机器人有一对尾鳍，由ICPF材料制成，并且可以依靠改变脉冲电压的频率，控制ICPF材料，由于其柔软性和低电压性，可以完成微机器人在血管的游动和行走。 图9. IPEC驱动的水下微型机器人 2011年，国内哈尔滨工业大学王扬威等人研制了仿生乌贼机器人 [ 13 ] ，该仿生机器人以0.2 mm的SMA(形状记忆合金)丝作为驱动，如图10所示。SMA丝的加热收缩和冷却伸长使硅胶外套膜实现往复运动，完成吸水和尾部脉冲式的喷水游动，最高游动速度达到58 mm/s。 图10. 仿乌贼游动机器人 2.2.3. 外部磁场驱动游动机器人 许多仿生游动机器人运用智能材料驱动，如IPMC和SMA，这些材料被称致动器。然而，它们常常占据了血管机器人体积的大部分，使得这些机器人在使用和推广上有一定的局限性，较难应用到血管诊疗。不需要电源电缆、电池或控制系统的外磁场驱动机器人应运而生，它们非常适合于医疗应用。通过外部的磁场控制，驱动机器人的磁致微制动器产生推动力，实现血管机器人的泳动。 图11. 铁磁橡胶驱动微小机器人 2002年，中国科学院智能机械研究所梅涛等人研制出了一种游动微机器人 [ 14 ] ，该微机器人利用铁磁橡胶执行器(FMP)作为驱动，通过外部磁场无线驱动，实现无缆驱动和控制。如图11所示，微型机器人的总尺寸为长20 mm，宽14 mm和厚5 mm。实验表明FN·T型游泳微机器人可以被外部磁场无线驱动和控制，运动速度和方向取决于磁通密度和磁脉冲频率。因此，可以通过改变磁强度和频率来控制机器人。 2006年，张永顺等人研制了一种泳动微型机器人 [ 15 ] ，如图12所示，该机器人应用仿生学原理，以超磁致伸缩薄膜作为该微型机器人的鱼尾鳍，其驱动器质量轻，响应频率快、位移变形大，可以运送药物到达患处应用于诊疗。 图12. 超磁致伸缩薄膜驱动泳动微型机器人 2011年，韩国的Donghak Byun等人研制了一种由两对亥姆霍兹线圈系统驱动的微型游泳机器人 [ 16 ] ，如图13所示。该机器人长11.3 mm~19.3 mm，宽1.44 mm和高3 mm。通过两对亥姆霍兹线圈利用外部交变磁场产生推进力和转向力，使用EMA系统(电磁驱动系统)能够为微型机器人产生无线驱动力，微型机器人由位于微型机器人体内的小尺寸永磁体驱动，所以微型机器人可以小型化，有望用于医疗应用中。 图13. 亥姆霍兹线圈系统驱动的微型游泳机器人 2.2.4. 仿细菌鞭毛驱动机器人 由于采用柔性桨和螺旋桨的人造细菌鞭毛(ABF)驱动血管机器人，在血液环境下具有高效和高适应性。因此许多科研人员提出了基于鞭毛运动的微泳动方法用于血管机器人。 2008年，南京航空航天大学白辰等人为验证精子推进的理论结果，研制了游泳机器人放大样机，并用硅油模拟生物管对其进行了表征。研制了一种仿精子游动的介入微机器人 [ 17 ] ，如图14所示。该机器人通过控制四个鞭毛在液体中旋转。当鞭毛旋转的方向一致时液体产生推力，微机器人获得前进的驱动力。实验结果表明，仿精子驱动微型机器人可以有效地控制游动。 图14. 仿精子驱动的介入微机器人 2009年，加拿大的Scogna J和Olkowski J研制了一种仿大肠杆菌运动的微型机器人 [ 18 ] ，如图15所示。该机器人根据大肠杆菌的运动原理，机器人头部可以用来携带药物，尾部的鞭毛使用磁性材料制作，利用外部三维磁场来驱动鞭毛旋转，旋转鞭毛产生推进力。机器人的定向运动通过控制鞭毛丝实现，通过一个高速相机和一个特定的旋转磁场(通过调整提供的电压和频率产生)提供了实时有效控制。 图15. 仿大肠杆菌运动机器人 2.2.5. 螺旋驱动机器人 螺旋驱动机器人是通过尾部形成的螺旋波为血管机器人提供推进力，科研人员通过实验表明螺旋鞭推进优于柔性桨推进，是一种良好的驱动方式。 2004年，日本M. Sendoh等人研制了一种医用螺旋式磁性微致动器 [ 19 ] ，如图16所示。磁体和螺旋结构组成的磁致动器可以通过施加外部旋转来无线移动。通过改变磁场的旋转平面，可以控制磁执行器的方向。因此，这些致动器有望在医学上应用。 图16. 医用螺旋式磁性微致动器 2012年，广州大学江帆等人研制了双螺旋驱动的血管机器人 [ 20 ] ，如图17。该机器人可以通过6mm的血管。双螺旋结构有助于提高血管机器人运动的灵活性，其两端为两个锥螺旋鞭毛，主体为圆柱体(电机和齿轮装配)，锥端为电机，鞭毛由电机通过齿轮和轴驱动。通过螺旋鞭毛的正反转来控制机器人前进和后退。 2016年，羌府等人研制了一种采用电磁驱动系统的螺旋运动微机器人 [ 21 ] ，如图18所示，该微型机器人由基于阿基米德螺旋结构的螺旋外壳和用于致动器的O形环磁体组成。阿基米德螺杆结构由于磁场和嵌入的磁体产生的扭转力矩而产生轴向推进力，所述扭转力矩沿着轴向旋转。 图17. 双螺旋驱动的血管机器人 图18. 螺旋运动微机器人 2018年，Seungmin Lee等人研制了一种用于靶向药物和细胞递送的胶囊型微机器人 [ 22 ] 如图19所示，机器人长290 μm，宽83 μm。由磁性操纵器无线控制，微型机器人的整个身体在旋转磁场(RMF)中经历螺旋运动。因此，胶囊型微型机器人可以输送悬浮或粘附细胞。 图19. 胶囊型微机器人