基于磁流变液的软体医疗胶囊机器人 （中国矿业大学王言韬/成江昊/樊琼泽/王百一）

一、背景介绍

根据世界卫生组织发布的《2020年世界癌症报告》，我国居民胃肠道恶性肿瘤（结直肠癌和胃癌）的发病率居癌症排名前五位。为了早发现、早治疗、提高胃肠道疾病的治愈率，体检筛查至关重要。目前，用于人体胃肠道检查的医疗设备主要有传统胃肠镜和胶囊内窥镜。传统胃肠镜检查准确性较高且能够进行活检，但是容易给体检者带来疼痛和感染的风险；胶囊内窥镜能够针对小肠进行舒适和清晰的观察，但是自身无驱动机构，容易对胃部产生漏检。胶囊机器人作为一种主动控制的胃肠道检查设备，涉及电磁驱动、无线通信、生物材料和智能制造等多个领域，能够安全、有效地对胃肠道疾病进行无创诊疗，成为微型医疗机器人发展的重要里程碑。但是，由于人体胃肠道的复杂环境和不断提高的诊疗需求，具有软体表面和医疗功能的胶囊机器人仍处于理论研究阶段，在机械结构、定位方法和控制策略等方面依然存在问题，这极大地限制了其在临床实践中的应用。

医疗胶囊机器人是用于人体胃肠道疾病检查的新兴手段，结合近年来迅速发展的微型机电系统、传感测试技术以及图像处理技术，实现其主动控制、提高诊疗精度、降低手术风险，对现代医疗领域发展具有重大意义。由于医疗胶囊机器人具有广泛的临床应用前景，国外学者较早地对其开展了相关研究。ZhouHao提出了一种具有交叉半环形驱动器的磁控胶囊机器人，结合电磁驱动系统，该机器人在实验中展现出稳定的运动效果。针对磁驱动医疗机器人，LaviniaBarducci等提出了一种新型的自适应控制方法，有效提高了该医疗机器人的运动速度且具有平稳的浮动运动效果。YinShan等设计了一种针对不同肿瘤褶皱的胃肠道微信胶囊机器人，在遇到不同类型的环形褶皱和小肠肿瘤时的运动控制提供坚实的基础。它还提供了利用机器人动力学检测肠癌的潜力。

磁控软体机器人是机器人技术领域的一个重要分支，其可调节的表面硬度与远程驱动特性在临床无创诊疗中占有巨大的应用价值。国外很多学者对磁控软体机器人开展了一系列的研究，并取得了许多成果。SukyoungWon等研究了一种沿环形轨道运动的磁控软体机器人，可实现在平面与斜坡、水面与水中等多种环境下运动，以及该磁控软体机器人的群集运动。苏州大学LiFangxia等研究一种磁性软体机器人，通过电场与磁场控制该机器人的滚动，运动速度与纯磁性金属运动相近。

磁流变液是一种受外加磁场约束和控制的固、液二相功能材料，主要由纳米级和微米级磁性颗粒、表面活性剂或分散剂以及载液组成。TharehalliM.Gurubasavaraju等针对磁流变阻尼器提出了一种非参数多项式代表模型，将有限元分析与流体动力学结合，研究流体流隙和频率对磁流变阻尼器诱导力的影响。西安理工大学郭全民等建立了磁流变阻尼器的BP神经网络逆模型并通过遗传算法进行优化，实现了由期望的阻尼力反求控制电流，解决了执行器的控制问题。

结合近年来有关医疗胶囊机器人、磁控软体机器人和磁流变液流变特性及其器件的文献报道，可以看到当前研究具有以下特点：

医疗胶囊机器人多采用包含永磁体或者线圈的硬质壳体，对人体胃肠道表面组织的侵害性较大；部分软体胶囊机器人体积较大，当被吞服或者在胃肠道内运动时存在不便；目前的医疗胶囊机器人功能模块集成化低，研发将图像采集、靶向送药、活体采样等多种功能集成于一体的微型医疗胶囊机器人依然是一个难题。

目前，磁控软体机器人的研究以运动行走和变化形状为主，适用于实际环境的功能性磁控软体机器人较少；由于软体磁控材料的特殊性和有限性，对磁控软体机器人实现精准控制仍是个难点，研究软体精准磁控方法成为亟需突破的关键点。

磁流变液的应用研究多集中在阻尼器、传动装置和密封器件等领域，对磁流变液软体机器人方面的研究较少；磁流变液发生流变特性前后展现出可控的物理特性变化，这种变化在磁控软体胶囊机器人的驱动系统中具有重要的应用前景。

本团队力求发明一种基于磁流变液的软体医疗胶囊机器人，适用于胃肠道疾病的检测和预防，以及药物的精准投放。

二、技术方案

总体技术路线

采用“磁流变软体胶囊机器人结构设计”→“磁流变软体胶囊机器人动力学特性分析”→“磁流变软体胶囊机器人定位方法研究”→“磁流变软体胶囊机器人控制策略研究”→“磁流变软体胶囊机器人实验测试”的技术路线。

（一）机器人结构设计

磁流变液（MagnetorheologicalFluid，简称MRF）是一种固-液两相的智能材料，主要由微米级磁性颗粒、低粘度基载液、添加剂等组成，宏观显示为流体状态，如图1（a）所示（颗粒为羰基铁粉，基载液为矿物油），微观抽象结构如图（b）所示。

磁流变液作为一种智能可控流体，在外加磁场时具有高粘度、低流动性，且液体的粘度与磁场存在对应关系，反应能耗低、易于控制、响应迅速（毫秒级）；同时具有低磁矫顽力，即场作用下，颗粒基本不存在剩磁。因此，磁流变液同时展现了液体材料的软体特性和固体材料的磁化特性，在磁控胶囊机器人的驱动结构中具有重要的应用前景。

基于磁流变液与钕铁硼永磁体相结合的磁控方式，设计一种磁流变软体胶囊机器人，结构模型如图2所示。磁流变软体胶囊机器人的硬件部分包括：相机、控制电路、电池、无线通讯模块、永磁环（钕铁硼永磁体）、密封的磁流变液、橡胶软壳体以及用于靶向送药的振荡模块。

如图2中的截面图所示，磁流变软体胶囊机器人采用双层复合壳体结构，壳体外层是由橡胶薄膜制作的软壳体，壳体内层由上、下永磁环和磁流变液组成。双层复合壳体的外层是一种软壳体，具有弹性，易变性；内层通过磁流变液与永磁环组合作为胶囊机器人的磁驱动部分，增强了驱动性能。另外，磁流变液在流变反应后，展现出半固体材料的特点，与非结构表面接触时具有柔顺特性。磁流变软体胶囊机器人的头部安装了一个COMS微型相机和一圈LED照明灯，可将拍摄的图像实时发送到体外的数据接收设备中。胶囊机器人的图像获取功能由控制电路调节，并由中间位置的电池供电。胶囊机器人的底部配置了一种振荡模块，当药腔内填充液体药物时，空间磁场能够激励振荡模块将药物从渗透孔中释放，完成靶向送药功能。产生的磁场作用在人体上的磁感应强度足够小，即磁场不会对人体造成伤害。磁流变软体胶囊机器人和外部驱动永磁体的具体结构参数如表1所示。

分析验证胶囊机器人和永磁体之间磁感线的耦合关系，使软体医疗胶囊机器人进行稳定、连续和可控的旋转运动。进行磁感应强度有限元仿真，其中颜色较亮的箭头表示较高的磁感应强度，箭头方向表示磁场方向。外部驱动永磁体在旋转过程中，磁流变软体胶囊机器人受到变化的磁矩作用，产生相反的旋转运动。磁流变软体胶囊机器人和外部驱动永磁体之间的磁场线始终保持平行或者相互连接的状态，如图3（a）中的虚线框所示。

（二）旋转平移运动仿真

为保证运动位移和偏转角度具有较小的误差，探究非均匀磁感线和摩擦力等因素的影响下，旋转速度与平移速度之比ε对胶囊机器人的位置及旋转角度的影响关系。

通过数值模拟对胶囊机器人进行动力学仿真，外部驱动永磁体采用组合的运动方式，其平移速度为10mm/s，工作时间为12s。此外，在平移运动的基础上，驱动永磁体还设置了三种不同的旋转速度，分别对应运动比例系数ε=0.5、1、2。图中，虚线代表磁流变软体胶囊机器人的理论运动值，也代表外部驱动永磁体的输入轨迹，三条不同颜色的实线代表胶囊机器人计算的运动轨迹。如图4（a）所示，运动比例系数ε为2时，胶囊机器人较大的角速度促进了对称翻转运动；但是，过大的角速度会产生翻转误差。当ε为0.5时，胶囊机器人的翻转运动较慢，其位移主要依赖于磁吸引力的牵引，则会产生滑动误差。通过对比图4（a）和（b）可知，当ε大于1时，较高的摩擦系数可以有效地增强胶囊机器人的翻转运动，但是较大的摩擦力也会增大运动误差。

图5展示了磁流变软体胶囊机器人位移和转角的误差。当运动比例系数ε大于1，胶囊机器人在运动过程中摩擦力能够发挥正向的推动作用，提高了表面翻转运动性能。如图（a）和（b）所示，磁流变软体胶囊机器人的整体位移误差不超过20mm，转角误差限制在45°之内。因此，根据图中三种不同的摩擦环境，当运动比例系数ε确定在1.3~1.6范围内时，磁流变软体胶囊机器人的运动位移和偏转角度具有较小的误差，即能够满足设备控制的要求。

（三）斜面运动仿真

建模分析胶囊机器人斜面运动下，最大斜坡角与摩擦系数μ、重力和磁吸引夹角η、重力与磁吸引之比k之间的影响关系。

摩擦系数μ增大时，能够提高磁流变软体胶囊机器人在坡面的爬行能力，这与组织表面的物理特性有关；胶囊机器人在坡度表面运动时，轴向翻转角度偏大，通过提高外部驱动永磁体的偏转角度η来消减两者角位移的误差，促进胶囊机器人的翻转运动性能；磁力Fm增大时，能够增强胶囊机器人在组织表面的吸附能力，但是也会加强对组织表面的应力，容易造成挤压伤害。因此，基于组织表面特定的摩擦系数μ，在不对人体胃肠道产生冲击伤害的前提下增大磁吸引力Fm，控制外部驱动永磁体的偏转角度η以及旋转病床的角度，可以实现磁流变软体胶囊机器人在胃肠道内全方位的表面翻转运动。

（四）机器人定位方法研究

根据磁传感器定位技术，设计了一种双层对称式传感器阵列的排布方式，如图7所示，采用外部驱动永磁体控制胶囊机器人时，以外部驱动永磁体的运动平面为中心平面，分别在其上部和下部设置测量平面，磁传感器阵列安装在上、下测量平面中且以中心平面对称分布。对比传统的磁传感器定位方法，能够快速、有效的消减干扰磁场。

确定了机器人空间定位流程，如图8所示，首先，启动机械臂检测复位和确定永磁体位置。调节永磁体磁场，使其在z轴方向并在x-y平面内做圆周运动。磁传感器阵列实时传输磁场信息，初始定位算法求解胶囊机器人位置。多次解算锁定位置。确定初始位置后，根据永磁体位置和磁场信息，计算胶囊机器人磁场，利用运动定位算法求解空间位置并在上位机显示。完成医疗操作后，永磁体退出工作区域，机械臂复位。

根据此设计了改进的LM算法，对机器人定位测试实验，如图9所示，根据胶囊机器人的对称翻转运动模式，外部驱动永磁体的运动轨迹为磁流变软体胶囊机器人的理论运动轨迹。实验结果如图10所设计，表明其提高了磁流变软体胶囊机器人的定位精度。

（五）机器人的控制

机器人的控制装置基于外部驱动永磁体，如图11所示，其主要包括四轴直线模组、驱动器、运动控制器、空间定位装置和转向夹具等。利用四轴直线模组和转向夹具能够实现外部驱动永磁体的五个自由度运动，满足对胶囊机器人的运动控制要求。图12表示了转向夹具的三维装配图和截面图，主要包括支撑座、连接模块、转向台、夹具护板、传动直齿轮、锥齿轮、传动轴、旋转架和轴承等。通过四个直线模组和转向夹具的配合，能够实现外部驱动永磁体五个自由度的运动调节，即能够满足磁流变软体胶囊机器人在工作区域内任意位置的控制要求。

提出了一种基于空间平面化的“迂回路线”运动方式，在避免巡检遗漏的前提下简化了医疗人员对胶囊机器人的操作要求。最后，设计了组合控制系统，将胶囊机器人在单方向上的控制分解为主运动控制和辅助运动控制，有效分解了系统中的控制变量。

样机制作

根据磁流变软体胶囊机器人的设计模型，具体的零件结构如图所示，包括软壳体、骨架、上下永磁环、相机、电池、无线通讯模块、聚磁板、导向环、振荡板、导磁环和前后端盖。其中软壳体采用具有生物相容性的硅橡胶材料，通过模压成型工艺制作完成；骨架、上下端盖和导向环采用液态树脂材料，通过3D光固化打印机制作完成；振荡板、导磁环和聚磁板采用铁粉材料，通过金属3D打印机制作完成。复合壳体中填充了水基磁流变液。按步骤对其进行组装，磁流变软体胶囊机器人样机如图13所示。

磁流变软体胶囊机器人利用复合壳体结构（包括软壳体、上下永磁环和磁流变液），在非结构环境中通过外部驱动永磁体的控制完成稳定、连续的翻转前进运动。另一方面，通过渗透孔从后端盖的药腔中注射液体药物，控制该胶囊机器人的振荡模块实现靶向送药功能。

（六）样机测试

测试驱动运动模块，在不同粗糙度表面上开展了胶囊机器人的平面和坡面运动特性测试，如图14、15所示，磁流变软体胶囊机器人分别放置在摩擦系数μ=0.1的光滑平面和μ=0.9的粗糙平面上，控制其沿x方向做表面翻转运动，且x轴直线模组的运动速度设置为45mm/s。表明胶囊机器人实现胃部平稳连续的翻转。

基于磁流变软体胶囊机器人振荡模块的药物释放机理，如图16所示，对投药模块进行测试，选用黏度为2000cps的红色混合粘液来模拟流体药物。为了明显看出药物释放的痕迹，实验采用白色树脂材料进行3D打印人体的胃部模型。另外，该胃部模型的内壁粘贴了一层软体的橡胶薄膜，实验时模型的内腔填充了温水来模拟胃部环境。测试结果表明，实现胃部精准靶向投药，胶囊机器人在模拟胃部环境中具有稳定的药物释放功能。

三、创新特色

（一）柔性壳体,优化的表面磁场

与目前广泛研究的硬质壳体胶囊机器人相比,本项目中的磁流变软体医疗胶囊机器人表面采用磁流变液和水凝胶薄膜材料,其中磁流变液的流变特性可表现出液-固相临界的多尺度状态,一旦受到微小磁场作用,就会发生明显的固-液转化,从而调节表面硬度。结合磁流变液的流变特性以及与永磁体的强化磁场耦合能力,建立磁流变液柔性磁控系统,极大增加了机器人的柔顺变形能力,减小了对胃肠道表面组织的侵害,提高了在复杂的肠胃环境下越障和运动的能力。

（二）功能模块化

目前,医疗胶囊机器人的研究主要以行走运动、体态变形和定位控制为主,具有多功能模块集成和人机交互控制的软体医疗胶囊机器人仍是研究的难点与热点。本次研究的胶囊机器人集疾病诊断、靶向送药以及检测恶性肿瘤等功能于一体,应用图片处理的自适应筛选方法改善了传统软体医疗胶囊机器人在胃肠道内采集的图片相似性高或者连贯性差、图片存在大量的重叠信息、矛盾信息的问题。将图片信息栅格化后进行快速特征提取,并对信息的相关性进行筛选、整合,最终匹配输出具有高可靠度的胃肠道图片,构建体外胃肠道三维数字实时模型,为软体医疗胶囊机器人的精准医疗诊断以及医生的实时远程操控提供有效途径。

（三）控制优化

磁流变软体医疗胶囊机器人在胃肠道运动会受到外界各种阻力(如不同坡度表面、粗糙度、液体粘度等)的复合影响,这些外界阻力的干扰是急需解决的问题。因此设计磁流变软体医疗胶囊机器人的犹豫模糊控制和自适应控制相结合的控制算法,辨识基于参数模型的系统传递函数,建立磁流变软体磁控医疗胶囊机器人运动控制模型,为解决软体医疗胶囊机器人的非连续稳定运动问题提供了有效途径,并填补了国内在磁流变软体医疗胶囊机器人控制上的技术空白。

四、发展前景及市场分析

从需求上分析，日本人口约1.27亿，每年约完成1500万例胃镜检查，比例约12.5%；中国人口约14亿，如参照比例12.5%，需求1.75亿例（目前实际完成约3000万例），应用前景广阔。而在全球范围内，市场对医疗胶囊机器人的需求正呈现出快速增长的趋势。根据相关数据，2020年全球胶囊内镜机器人市场规模已经达到9.75亿美元，预计到2025年市场规模将达到17.6亿美元。

胶囊机器人具有广阔的市场前景。较原有传统胶囊内镜，本软体医疗胶囊机器人将大幅度缩短诊断时间。由于受自身结构限制，传统胶囊内镜具有一些视野盲区，而该软体医疗胶囊机器人具有较好的检测视野，可以提高胃肠道检测，几乎无死角的观测胃肠道各部位。同时，本胶囊机器人体积较小，且具有软体柔性结构，可以显著改善患者的检测体验。该软体医疗机器人极大地改善了胃肠道疾病的诊治过程，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。

我国的磁控胶囊机器人在市场上拥有相当大的发掘潜力。假如每两年做一次内镜检查，则每年内镜检查次数将超过6000万人次。如果胶囊内镜替代率为10%，每颗胶囊出厂价1000-1500元，则潜在市场规模高达60-90亿元。对比中国与全球电子市场增长情况，近4年中国市场增长率持续高于全球市场增长水平，且中国占全球市场份额也正稳步提升。据数据显示，2016年我国胶囊机器人市场规模突破百亿元。2018年，我国胶囊机器人市场规模将近200元，到2019年达到了250亿元。随着内窥镜检查及微创治疗的推广，医用内窥镜市场持续增长，胶囊机器人进一步普及。

对于市场竞争方面，国内外主要研究肠胃道检查技术的相关企业机构比较多,市场上大部分胃肠道疾病检查技术主要以胃镜检查和超声波检查为主的技术手段，研究磁流变软体胶囊机器人的企业数量较少，根据有关可查资料，并未找到竞争厂商。可以说，此类产品仍处于市场开发的初期阶段，主要竞争者为传统的胃镜检查和超声波检查为主的技术以及研究胶囊机器人的科技公司。目前全球范围内主要的胶囊内镜机器人制造商包括Medtronic、Olympus、FUJIFILM、RFSystemLab、IntroMedic等。这些公司通过不断地研发投入和技术突破，提高了产品的性能和竞争力。同时，随着市场的不断扩大，新兴企业的数量也在不断增加，进一步推动了行业的发展。

在政策上，各国政府对医疗机器人技术的发展给予了大力支持。我国大力鼓励发展创新医疗器械。如国家医保局在发布的《创新医疗器械特别审批程序（试行）》中，针对具有核心技术发明专利、国际领先、国内首创、具有显著的临床应用价值等情形的医疗器械，在标准不降低、程序不减少的前提下，优先对创新医械产品进行办理。医疗胶囊机器人作为一种主动控制的胃肠道检查设备，涉及电磁驱动、无线通信、生物材料和智能制造等多个领域，能够安全、有效地对胃肠道疾病进行无创诊疗，成为微型医疗机器人发展的重要里程碑。

五、附件（作品效果图、图纸、发表的论文、专利等）

申请发明专利1项，实用新型专利5项

发表SCI1篇，国家级期刊2篇