基于电磁-永磁混合驱动系统的微型铁磁流体机器人多模态协同控制及生物医学应用研究

为解决传统磁控系统驱动能力有限、功能单一等问题，研究人员开发了集成电磁线圈与永磁体的混合驱动系统，实现了微型铁磁流体机器人(MFR)的位移-形变-转向协同调控。该研究通过球形摩擦策略增强磁场梯度，使MFR在复杂腔道中实现3.6倍形变比和14.48 mm/s的运动速度，并成功应用于齿轮驱动、靶向给药和血管选择性封堵，为微创医疗提供了新范式。

　　

在医疗机器人领域，传统磁控系统面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：永磁体虽能产生强梯度场但无法灵活转向，电磁线圈可生成旋转磁场却难以输出高强度梯度。这种矛盾严重制约了微型机器人在复杂生物环境中的应用效果，特别是在需要同步控制运动、形变和方向的场景中，如血管内药物递送或胃肠道检查。更棘手的是，现有系统往往体积庞大、能耗高，难以满足临床对便携性和精准度的双重需求。

为突破这些技术瓶颈，中国某研究机构在《Cyborg and Bionic Systems》发表的研究中，创新性地提出了一种球形永磁体与四轴电磁线圈协同的混合驱动系统。该系统通过独特的球-球摩擦传动机制，仅需弱电磁场即可驱动大尺寸永磁体旋转，从而在14×14×10 cm³的紧凑结构中实现48 mT强磁场输出。基于此平台开发的微型铁磁流体机器人(MFR)展现出惊人的多模态控制能力：既能以1.46°的角度精度定向伸展，又可实现3.6倍的动态形变，还能带动比自身重40倍的齿轮组运转。更令人振奋的是，研究人员成功将该系统应用于模拟血管环境，实现了药物时空控释和选择性血管封堵，为癌症靶向治疗提供了新思路。

关键技术包括：(1)采用NdFeB球形永磁体与倾斜45°布置的电磁线圈构建混合驱动系统；(2)基于COMSOL的磁场建模与霍尔传感器(TLE493D-W2B6)实测验证；(3)硅油基铁磁流体(含25 wt% Fe₃O₄纳米颗粒)制备；(4)三轴电动平台(行程280×280×140 mm)集成视觉伺服控制；(5)高频电磁线圈(OPA541放大器驱动)诱导磁热效应加速药物释放。

【材料与方法】
通过磷脂-PEG修饰的Fe₃O₄纳米颗粒(直径10 nm)制备生物相容性铁磁流体，其饱和磁化强度(M_s)达60±5 emu/g。磁控装置采用直径30 mm的NdFeB球体与4组1,500匝电磁线圈构成，通过LabVIEW实现闭环控制。

【运动与形变控制】
实验显示MFR在150 mm培养皿中沿预设轨迹运动时，定位误差仅0.1657 mm(标准差0.065668)。通过调节永磁体距离(d_h)，在d_h=16 mm时达到最大形变比3.6。在模拟胃皱襞环境中，MFR通过同步形变与转向16秒内穿越复杂地形。

【被动体驱动机制】
MFR可输出1.73 N的推力，成功驱动5 g齿轮组运转。在输送实验中，装载43 mg模拟药物的被动机构被推动90 mm仅需6秒，速度达14.48 mm/s。磁热实验表明，45°C下胶囊药物可在45秒内释放50% payload。

【生物医学应用】
在3D血管模型中，MFR引导的胶囊能精准抵达分支血管交汇处。通过调节d_h值(6→14 mm)，MFR可选择性封堵特定血管分支，形成流体隔离区。高频磁场(OPA541驱动)使局部温度升至45℃，显著加速药物释放而不会损伤组织。

这项研究开创性地将混合驱动理念引入微纳机器人领域，其核心价值体现在三方面：首先，球形永磁体与电磁线圈的协同设计突破了传统磁控系统的物理限制，在小型化装置中实现高强度多模态磁场输出；其次，MFR与被动机械结构的动态耦合机制，为无源医疗设备的精准操控提供了新范式；最后，选择性血管封堵与磁热控释技术的结合，有望将肿瘤药物的靶向效率提升至新高度。未来通过集成超声或X射线成像，该系统或将成为微创介入治疗的重要技术平台。