仿生自组装模块化消化道检查微型机器人的关键技术研究

目前应用于人体消化道检查的单体式微型机器人的主动驱动方法主要有在机器人上安装仿生移动机构和利用外磁场驱动体内磁性微型机器人两种，前一种方法增加了系统集成的难度和机器人的总体尺寸，使其变的不能被患者吞咽，后一种方法增加了控制系统的复杂性和设备的造价，这些局限性严重地阻碍了驱动可控的无线消化道检查机器人的发展。本项目研究如何利用仿生自组装技术和模块化的设计方法去克服上述方法的局限性，着重探索毫米尺度下的自组装原理和规律，研制能够工作于人体消化道环境中的可开关的微型连接器，研究仿多细胞生物体生长机制的可编程自组装算法，测试可吞咽和功能简单的模块化微型机器人在人体消化道内进行自组装和自分解的成功率和时间效率，为最终研制出可吞咽的、低成本的和可自主运动的无线消化道检查机器人奠定理论和实验基础。

在对胃肠道检查机器人的国内外研究现状进行调研后，提出了模块化胃肠道检查机器人的设计方案，即把一个大尺寸机器人分拆成多个小尺寸模块。多个模块先在胃部组合成所需要的机器人，完成相关任务后，再使这些模块分离，最后被排出体外。在机构设计方面，首先设计了一种用于多个模块相连接的可开关连接器，然后设计了一种仿尺蠖蠕动式移动机构，该移动方式适合于柔软弯曲的肠道。在硬件电路方面，针对模块微型化的需求，设计了一种微型无线控制模块，该模块可以用于无线控制无刷直流电机和驱动形状记忆合金执行器，它采用集成无线通信模块的CC2530 作为微处理器。研究了基于细胞学习理论的自适应片上系统自主学习算法和对特定物体自主识别的图像处理算法。在模块自组装方面，提出了仿胚胎生长机制的自组装算法，实验测试了厘米级模块在三维空间通过随机碰撞进行的自组装。这些研究、设计及实验为将来研制出一种可吞咽与可控制的胃肠道检查微型机器人奠定了基础。