實驗名稱：磁場激勵下對狹窄非結構化液(ye)體環境的卓越環境適應(ying)性(xing)和(he)出(chu)色的3D可控(kong)性(xing)驗(yan)證

　　研究方向：在(zai)臨(lin)床實踐中，天然(ran)孔(kong)口通常為醫療器(qi)械提供對各種(zhong)靶組(zu)織的(de)侵入性(xing)通路。這些體(ti)(ti)腔(qiang)/腔(qiang)（例如(ru)泌尿和(he)消化系統）通常充(chong)(chong)滿(man)(man)液體(ti)(ti)，并(bing)促進物(wu)質在(zai)體(ti)(ti)內或體(ti)(ti)內與體(ti)(ti)外之間的(de)運輸。與傳(chuan)統的(de)開放或介入手術相比，生(sheng)物(wu)相容性(xing)磁驅動微型軟體(ti)(ti)機器(qi)人可(ke)以運輸各種(zhong)治(zhi)療藥物(wu)，并(bing)以非(fei)侵入性(xing)方(fang)式安(an)全地穿越自然(ran)孔(kong)口，以執(zhi)行(xing)醫療任務，例如(ru)靶向(xiang)藥物(wu)輸送和(he)組(zu)織診斷。然(ran)而，在(zai)如(ru)此狹(xia)窄、充(chong)(chong)滿(man)(man)液體(ti)(ti)的(de)環境中安(an)全、可(ke)靠和(he)高效地執(zhi)行(xing)醫療任務對機器(qi)人的(de)運動性(xing)能提出了(le)嚴格的(de)要求。

　　Carangiform魚(yu)(yu)可以(yi)(yi)在(zai)(zai)復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)然(ran)水(shui)(shui)域(yu)中(zhong)(zhong)高速敏捷地(di)游(you)泳。通(tong)過模擬它(ta)們的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)物形態和(he)運(yun)動(dong)學特征(zheng)，研(yan)究者設(she)計(ji)(ji)了一種(zhong)(zhong)不受(shou)束縛(fu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)carangiform狀磁性(xing)milliswimmer，能(neng)(neng)(neng)夠在(zai)(zai)體(ti)內發現的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)狹(xia)窄流體(ti)環(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)進(jin)行(xing)敏捷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)3D抗重(zhong)(zhong)(zhong)力導航(hang)。這(zhe)種(zhong)(zhong)毫游(you)泳者產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)身體(ti)曲率(lv)分布與魚(yu)(yu)非常相似(si)，使用磁扭(niu)矩來(lai)驅動(dong)其身體(ti)，并(bing)模仿魚(yu)(yu)通(tong)過肌(ji)肉收縮(suo)產生(sheng)扭(niu)矩的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原理(li)。這(zhe)種(zhong)(zhong)仿生(sheng)設(she)計(ji)(ji)為(wei)milliswimter提供了類似(si)carangiform的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)游(you)泳行(xing)為(wei)和(he)出(chu)(chu)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)游(you)泳性(xing)能(neng)(neng)(neng)。它(ta)配備了強大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)推(tui)力，使其能(neng)(neng)(neng)夠在(zai)(zai)不依(yi)賴(lai)輔助(zhu)浮力結構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況下進(jin)行(xing)3D抗重(zhong)(zhong)(zhong)力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)下自(zi)由(you)(you)游(you)泳，并(bing)在(zai)(zai)狹(xia)窄、彎(wan)曲和(he)可變直徑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)管道環(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)平穩地(di)向上游(you)游(you)泳。此(ci)(ci)外(wai)，這(zhe)種(zhong)(zhong)設(she)計(ji)(ji)為(wei)milliswimter提供了高游(you)泳速度和(he)出(chu)(chu)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)效運(yun)動(dong)性(xing)能(neng)(neng)(neng)，U高達(da)20BLs?1，類似(si)于(yu)fish的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)ηU83.49BL毫克(ke)?1兆噸?1s?1），這(zhe)比以(yi)(yi)前報告的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)值(zhi)高出(chu)(chu)六倍多(duo)。此(ci)(ci)外(wai)，這(zhe)種(zhong)(zhong)設(she)計(ji)(ji)賦予了milliswimmer出(chu)(chu)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)巡(xun)航(hang)機動(dong)性(xing)，使其能(neng)(neng)(neng)夠輕松避開障礙物（具體(ti)來(lai)說，milliswimmer具有最小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)巡(xun)航(hang)轉彎(wan)半徑r把0.05BL和(he)最大(da)巡(xun)航(hang)轉彎(wan)速度ω把高達(da)4737度?1當外(wai)部驅動(dong)磁場強度保持不變時(shi)(shi)）。重(zhong)(zhong)(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是，這(zhe)種(zhong)(zhong)milliswimter具有很強的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)環(huan)境(jing)(jing)(jing)適應性(xing)。由(you)(you)于(yu)其高度自(zi)由(you)(you)度，它(ta)可以(yi)(yi)靈活地(di)調整游(you)泳泳姿，以(yi)(yi)適應充滿液體(ti)、非結構化、狹(xia)窄的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)環(huan)境(jing)(jing)(jing)。像大(da)多(duo)數魚(yu)(yu)一樣(yang)，它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)負浮力使它(ta)能(neng)(neng)(neng)夠適應密度高于(yu)水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)各(ge)種(zhong)(zhong)液體(ti)環(huan)境(jing)(jing)(jing)。在(zai)(zai)操縱桿控制和(he)自(zi)動(dong)視(shi)覺導航(hang)下，milliswimmer表(biao)現出(chu)(chu)出(chu)(chu)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)可控性(xing)，可以(yi)(yi)在(zai)(zai)指定位置懸停并(bing)在(zai)(zai)克(ke)服(fu)重(zhong)(zhong)(zhong)力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)同時(shi)(shi)導航(hang)任(ren)意3D軌跡。最后(hou)，通(tong)過結合(he)常見的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)醫(yi)學成像技術，展示了milliswimmer在(zai)(zai)離體(ti)豬泌尿系統中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)潛在(zai)(zai)臨床應用。

　　實驗目的：通過精確(que)控制(zhi)磁(ci)場(chang)的強(qiang)度和方向(xiang)，是否可(ke)以實現對(dui)液體(ti)在三維空間中的精確(que)控制(zhi)，為(wei)后續(xu)實驗做(zuo)論證和鋪墊。

　　測試設備：ATA-6223功率放大器、CCD、數(shu)據采(cai)集(ji)卡(ka)、PC、磁(ci)力計、磁(ci)性產生裝置、微型注(zhu)射泵(beng)

　　實驗過程：為了模仿(fang)魚(yu)類的(de)(de)運動(dong)學特征，milliswimmer被驅(qu)動(dong)在水中(zhong)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)強大的(de)(de)網推力(li)，使其能夠(gou)在重力(li)和(he)外部(bu)阻(zu)力(li)下在三(san)(san)個維度(du)(du)上(shang)自由游動(dong)。主要是因為它的(de)(de)工(gong)作空(kong)間更大，適合(he)離體實驗和(he)其他需要這種容量的(de)(de)實驗。然而，較(jiao)大工(gong)作空(kong)間系(xi)統(tong)的(de)(de)高(gao)電感(gan)需要使用(yong)(yong)諧振電路來(lai)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)足夠(gou)的(de)(de)高(gao)頻(pin)驅(qu)動(dong)電流(liu)。用(yong)(yong)磁(ci)力(li)計（CH-3600）校準(zhun)系(xi)統(tong)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)靜(jing)態和(he)動(dong)態磁(ci)場。該(gai)系(xi)統(tong)主要由一(yi)個磁(ci)性產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)裝置、三(san)(san)個功率放大器（ATA-6223）、一(yi)個數(shu)據(ju)采(cai)集卡、一(yi)臺PC、三(san)(san)個電荷耦合(he)器件，（CCD）攝(she)(she)像(xiang)(xiang)頭(tou)和(he)三(san)(san)個鏡頭(tou)組成。磁(ci)系(xi)統(tong)可(ke)以(yi)在空(kong)間中(zhong)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)任何(he)方向(xiang)的(de)(de)磁(ci)場。為了監測毫秒游泳者游泳時產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)流(liu)場，采(cai)用(yong)(yong)了PIV技術(shu)。中(zhong)性浮(fu)力(li)聚酰胺種子粒(li)子均勻分(fen)散在實驗水環境中(zhong)，用(yong)(yong)532nm激光照射(she)。使用(yong)(yong)高(gao)速CCD攝(she)(she)像(xiang)(xiang)機從側面或頂(ding)部(bu)記錄粒(li)子的(de)(de)運動(dong)，并使用(yong)(yong)openpiv157對粒(li)子圖像(xiang)(xiang)進(jin)行分(fen)析。使用(yong)(yong)微型注射(she)泵(beng)向(xiang)彎曲的(de)(de)玻(bo)璃(li)管(guan)提供流(liu)體輸入，通過(guo)控制噴射(she)泵(beng)的(de)(de)水平(ping)推進(jin)速度(du)(du)，可(ke)以(yi)調節彎曲玻(bo)璃(li)管(guan)入口處的(de)(de)平(ping)均流(liu)體速度(du)(du)。

　　圖(tu)1-1微(wei)微(wei)粒子(zi)在(zai)離體豬泌(mi)尿系統(tong)器官(guan)中的(de)潛在(zai)應用實驗框圖(tu)

　　實驗結果：說明了在(zai)(zai)(zai)恒定的(de)磁場(chang)大(da)小和(he)驅動(dong)頻率(lv)下(xia)，毫(hao)(hao)游(you)(you)泳(yong)運動(dong)員如何使用由操縱桿控制(zhi)的(de)不同游(you)(you)泳(yong)動(dong)作(zuo)成(cheng)功導航(hang)障礙(ai)物并(bing)遵循預定義的(de)軌跡(ji)，包括“M”、“S”和(he)“R”形(xing)(xing)狀（MSR）。最(zui)(zui)初(chu)，milliswimter采用模(mo)式(shi)(shi)(shi)1游(you)(you)泳(yong)，沿著(zhu)“M”形(xing)(xing)的(de)軌跡(ji)前(qian)進（圖(tu)(tu)1-2b）。當接(jie)近水平窄(zhai)間(jian)隙(xi)障礙(ai)物1（長(chang)度(du)2×寬(kuan)度(du)0.3mm，如圖(tu)(tu)1-2c的(de)插圖(tu)(tu)所示）時，milliswimter通(tong)過調整滾(gun)動(dong)角(jiao)度(du)θ從模(mo)式(shi)(shi)(shi)1過渡(du)到(dao)模(mo)式(shi)(shi)(shi)2輥(gun)到(dao)90，成(cheng)功穿(chuan)過狹窄(zhai)的(de)水平間(jian)隙(xi)。隨后，游(you)(you)泳(yong)者在(zai)(zai)(zai)這種模(mo)式(shi)(shi)(shi)下(xia)繼續沿著(zhu)S形(xing)(xing)軌跡(ji)游(you)(you)泳(yong)（圖(tu)(tu)1-2c）。當接(jie)近傾斜的(de)45°窄(zhai)間(jian)隙(xi)障礙(ai)物2（長(chang)度(du)2×寬(kuan)度(du)0.3mm，如圖(tu)(tu)1-2d插圖(tu)(tu)所示）時，毫(hao)(hao)游(you)(you)泳(yong)者調整θ輥(gun)到(dao)45，成(cheng)功穿(chuan)越狹窄(zhai)的(de)間(jian)隙(xi)障礙(ai)物2。在(zai)(zai)(zai)此(ci)之(zhi)后，通(tong)過以滾(gun)動(dong)頻率(lv)f旋轉milliswimmer輥(gun)1Hz，它(ta)采用模(mo)式(shi)(shi)(shi)3并(bing)沿R形(xing)(xing)軌跡(ji)向前(qian)移(yi)動(dong)（圖(tu)(tu)1-2d）。最(zui)(zui)后，這位(wei)毫(hao)(hao)不費力的(de)游(you)(you)泳(yong)運動(dong)員從模(mo)式(shi)(shi)(shi)3過渡(du)到(dao)模(mo)式(shi)(shi)(shi)1，毫(hao)(hao)不費力地避(bi)開(kai)圓形(xing)(xing)障礙(ai)物并(bing)在(zai)(zai)(zai)水中(zhong)(zhong)航(hang)行。在(zai)(zai)(zai)整個(ge)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，毫(hao)(hao)游(you)(you)泳(yong)者的(de)平均(jun)手動(dong)操作(zuo)誤差為(wei)0.45毫(hao)(hao)米(mi)（0.12BL）。

　　圖(tu)(tu)1-2milliswimr的(de)(de)(de)(de)(de)可控(kong)(kong)性和(he)環境適應性。a）毫(hao)(hao)游(you)(you)泳(yong)(yong)者(zhe)平穩地遵循預定軌(gui)(gui)(gui)跡(ji)(ji)（MSR）并調(diao)整其游(you)(you)泳(yong)(yong)模式以(yi)穿過狹窄(zhai)間(jian)隙的(de)(de)(de)(de)(de)示意圖(tu)(tu)。b）“M”形的(de)(de)(de)(de)(de)軌(gui)(gui)(gui)跡(ji)(ji)。c）障礙物1，其特征是水(shui)(shui)平狹窄(zhai)的(de)(de)(de)(de)(de)間(jian)隙（長(chang)2毫(hao)(hao)米(mi)(mi)(mi)，寬0.3毫(hao)(hao)米(mi)(mi)(mi)，見插圖(tu)(tu)）和(he)S形軌(gui)(gui)(gui)跡(ji)(ji)。d）障礙物2，一個45°角的(de)(de)(de)(de)(de)傾斜狹窄(zhai)間(jian)隙（長(chang)2毫(hao)(hao)米(mi)(mi)(mi)，寬0.3毫(hao)(hao)米(mi)(mi)(mi)，如圖(tu)(tu)所示）和(he)一個R形軌(gui)(gui)(gui)跡(ji)(ji)。e）在(zai)(zai)(zai)基(ji)于(yu)視(shi)(shi)覺的(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)動(dong)(dong)控(kong)(kong)制(zhi)下(xia)(xia)，milliswimter使(shi)用三個游(you)(you)泳(yong)(yong)動(dong)(dong)作來跟(gen)蹤(zong)魚形和(he)MSR軌(gui)(gui)(gui)跡(ji)(ji)。該圖(tu)(tu)顯示了跟(gen)蹤(zong)的(de)(de)(de)(de)(de)統(tong)計誤(wu)(wu)差(cha)(cha)分(fen)(fen)布(bu)。f）在(zai)(zai)(zai)基(ji)于(yu)視(shi)(shi)覺的(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)動(dong)(dong)控(kong)(kong)制(zhi)下(xia)(xia)，毫(hao)(hao)游(you)(you)泳(yong)(yong)運動(dong)(dong)員可以(yi)停(ting)留在(zai)(zai)(zai)空(kong)間(jian)中的(de)(de)(de)(de)(de)指定點(dian)并懸停(ting)在(zai)(zai)(zai)指定的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)平面(mian)上，在(zai)(zai)(zai)三個游(you)(you)泳(yong)(yong)泳(yong)(yong)姿中的(de)(de)(de)(de)(de)每一次(ci)中表現出不同(tong)程度的(de)(de)(de)(de)(de)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)。誤(wu)(wu)差(cha)(cha)線(xian)表示標準差(cha)(cha)N=3。g）在(zai)(zai)(zai)基(ji)于(yu)視(shi)(shi)覺的(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)動(dong)(dong)控(kong)(kong)制(zhi)下(xia)(xia)，milliswimter使(shi)用三個游(you)(you)泳(yong)(yong)動(dong)(dong)作來跟(gen)蹤(zong)螺旋軌(gui)(gui)(gui)跡(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)統(tong)計誤(wu)(wu)差(cha)(cha)分(fen)(fen)布(bu)。h）通過在(zai)(zai)(zai)三個游(you)(you)泳(yong)(yong)泳(yong)(yong)姿之間(jian)切換，milliswimter在(zai)(zai)(zai)復雜的(de)(de)(de)(de)(de)3D網絡結構（珊瑚(hu)狀）周圍自(zi)由游(you)(you)泳(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)行為(wei)。i）milliswimper在(zai)(zai)(zai)3D網絡中游(you)(you)泳(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)示意圖(tu)(tu)。ii）毫(hao)(hao)游(you)(you)泳(yong)(yong)者(zhe)在(zai)(zai)(zai)3D結構中連續游(you)(you)泳(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)視(shi)(shi)頻快(kuai)照(zhao)。比(bi)例尺，2毫(hao)(hao)米(mi)(mi)(mi)。

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