磁控软体连续体机器人几何结构与磁化模式的协同优化策略及其在血管介入中的应用

针对传统血管介入手术中导管操控性不足的问题，复旦大学团队提出了一种磁控软体连续体机器人(MSCR)的几何结构与磁化模式协同优化策略。通过建立有限差分模型和改良灰狼优化算法(MDGWO)，实现了166.7°的大弯曲角度，在10 mT磁场下较传统圆柱形设计提升17.4%。该研究为复杂血管环境下的精准介入提供了新思路，成果发表于《iScience》。

　　

心血管疾病每年导致全球超2000万人死亡，传统血管介入手术依赖被动导丝，在复杂血管分支中操控困难且需频繁X光定位。磁控软体连续体机器人(MSCR)虽能通过磁场远程操控，但其转向能力受限于磁化末端的弯曲角度。现有研究仅优化磁粒子分布而忽略几何结构，难以实现最大弯曲性能。

复旦大学刘宇航、王嘉航等团队在《iScience》发表研究，提出几何结构与磁化模式的协同优化策略。通过建立基于欧拉-伯努利梁理论的有限差分模型，结合改良离散灰狼算法(MDGWO)，将MSCR弯曲角度提升至166.7°。关键技术包括：1)构建含NdFeB粒子的PDMS复合材料；2)开发预测弯曲角度的有限差分模型；3)应用灰狼优化算法(GWO)分步优化几何直径(0.9-1.2 mm)和磁粒子体积分数(0-40%)；4)通过3D亥姆霍兹线圈和人体血管模型验证性能。

理论模型显示，优化后的MSCR在10 mT磁场下弯曲角度达166.7°，较单浓度圆柱设计(C-MSCR)提升17.4%。有限差分模型验证中，当离散单元数K=50时，理论值与实验误差仅4.91°。MDGWO算法优化的磁化模式呈现0%与40%的交替分布，其全局搜索效率优于遗传算法(GA)和粒子群优化(PSO)。

在2D分叉血管模型中，优化MSCR成功完成46秒内通过6个分叉点的复杂路径导航。3D人体血管实验证实，其能在主动脉弓等关键部位实现精准转向，最终抵达颈内动脉瘤目标位置。

该研究首次实现MSCR几何与磁化的协同优化，建立的有限差分模型为磁弹性体变形预测提供新工具。交替磁化模式设计既保持柔性又增强磁响应，为微创手术机器人开发提供重要参考。未来需进一步整合血流动力学因素，推动该技术向临床转化。