[论文解读] Magnetic Ball Chain Robots for Endoluminal Interventions
本文提出磁性球链机器人——由被柔性聚合物外鞘包裹的永磁球体串联而成的机器人——可在内窥介入手术中实现高曲率弯曲。通过外部磁场控制，该设计在磁性驱动扭矩与弯曲刚度之间实现了更优平衡，相比以往的磁性软体连续机器人，其操控性更优且最小曲率半径更小，该性能在分叉通道中的仿真与实验中已得到验证，定位精度达亚毫米级。
This paper introduces a novel class of hyperredundant robots comprised of chains of permanently magnetized spheres enclosed in a cylindrical polymer skin. With their shape controlled using an externally-applied magnetic field, the spherical joints of these robots enable them to bend to very small radii of curvature. These robots can be used as steerable tips for endoluminal instruments. A kinematic model is derived based on minimizing magnetic and elastic potential energy. Simulation is used to demonstrate the enhanced steerability of these robots in comparison to magnetic soft continuum robots designed using either distributed or lumped magnetic material. Experiments are included to validate the model and to demonstrate the steering capability of ball chain robots in bifurcating channels.
研究动机与目标
- 解决磁性驱动扭矩与弯曲刚度之间的权衡问题，以优化磁性可操控导管的性能。
- 开发一种超冗余、高柔性的机器人设计，最大化磁性材料含量，同时保持良好的顺应性。
- 实现对复杂、狭窄、分叉状解剖路径的高精度导航。
- 基于能量最小化方法，验证球链机器人的运动学模型，以实现精确的形状预测。
- 在实验中验证机器人在具有90°至165°转弯角度的通道中导航的可行性。
提出的方法
- 机器人由NdFeB球形永磁体串联而成，磁偶极矩方向一致，并被包裹在薄而柔性的聚合物套管中。
- 通过最小化系统总能量（包括磁能、弹性能和重力势能）推导出运动学模型。
- 外部偶极子磁体产生的磁场对每个球体施加力矩，使其偶极矩与磁场方向对齐。
- 模型假设外部磁场均匀，摩擦力可忽略，且弹性套管的曲率呈分段恒定。
- 采用数值能量最小化方法，计算在外部磁场和机械约束下机器人的平衡形状。
- 通过在3D打印的分叉通道装置中使用图像追踪机器人中心线，实验验证了该模型。
实验结果
研究问题
- RQ1具有对齐偶极矩的球形永磁体串联结构，是否能实现比传统磁性软体连续机器人更高的弯曲曲率？
- RQ2在关节式链状结构中引入离散磁性球体，如何影响磁扭矩与结构柔性的权衡？
- RQ3基于能量最小化的运动学模型，在外部磁场作用下，对磁性球链机器人的实际形状预测能力如何？
- RQ4该球链机器人是否能以高精度和极小曲率半径通过复杂、狭窄的分叉通道？
- RQ5在受控通道导航任务中，预测形状与实测形状之间的实验误差有多大？
主要发现
- 磁性球链机器人实现了足够小的最小曲率半径，可成功通过165°分叉通道，证明其具备优异的操控性。
- 在所有配置和球体中，机器人中心线的模型预测误差为0.42 ± 0.47 mm，表明预测具有高精度。
- 机器人在五个不同转弯角度（90°至165°）的通道配置中均成功导航，证实其在复杂血管样几何结构中的适用能力。
- 仿真结果表明，与集中磁体和分布粒子型磁性连续机器人相比，球链设计在最小可实现曲率半径和工作空间体积方面表现更优。
- 大部分弯曲集中在弯曲部位的两到三个球体，证实了球形关节行为和局部形变特性。
- 机器人形状可被能量最小化模型准确预测，验证了该理论框架在后续控制与设计中的适用性。
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