南航芦小龙副教授及其合作团队《Adv. Mater. Technol.》：基于视觉反馈的超声-微纳机器人交互技术

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微纳米机器人技术具有主动操控多种类型人工微纳颗粒以及生物微颗粒的功能，因此，在靶向输送、环境治理和和细胞工程中具有非常广阔的应用前景。近年来，化学能、电能、声能、磁能和光能等不同形式的能量已经被广泛用于微纳米机器人平台技术的驱动。其中，声能具有十分出众的能量效率、良好的生物兼容性以及对被操控目标的普遍适用性，在微纳米机器人驱动方面具有广阔的应用前景。但是，现有微纳机器人较低的智能化水平和人机交互能力严重制约了其在复杂环境以及精密作动场合的推广应用。

南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室的芦小龙副教授及其合作团队（南工大刘文娟副教授，南京大学郭霞生副教授）在《Advanced Materials Technologies》期刊上发表了题为“An acousto-microrobotic interface with vision-feedback control”的文章（DOI: 10.1002/admt.202100470）。该研究开创性地将闭环视觉反馈技术与声操控技术相结合，智能化识别目标颗粒并将其输送至特定的目标位置。有限元分析结果表明，直线固定式微纳机器人结构体周围由于超声振动而形成了局部增强型流场，可在不同频率驱动下，为双向的微颗粒输运提供充足的动力。闭环微纳机器人交互技术具有快速抓取图像和识别目标物的功能，继而调控微纳机器人周围的流场模式，驱动负载目标微颗粒运动至容许的位置误差范围内。试验结果证实该方式具有较好的驱动负载能力和较强的稳定性。以5微米直径的聚苯乙烯微球为操控对象，可利用所述交互系统输送至任意目标位置，定位误差小于2.5微米。此外，利用该系统开展了针对生物活细胞的操控技术研究。选取两种典型人体癌细胞（Hela细胞和A375细胞）开展的试验结果表明，超声-微纳机器人交互技术不仅对单个生物细胞操控有效，通过引入检索因子，可以在多个细胞群组内，针对选定编号的特定细胞开展单细胞操控。该研究所述的交互技术虽然基于超声场开展了一系列探索性的研究，但与其他类型的微纳米机器人平台也具有较高的兼容性，为进一步提升微纳米机器人的智能化水平、促进该技术的推广使用奠定了基础。

图1 超声-微纳机器人交互原理。（a）声操控机器人平台基本构成包括玻璃基板、压电超声换能器和直线固定式操控机器人，微颗粒经过识别与捕获，被输送至箭头所示的目标位置。（b）试验系统组成，包括用于图像生成与运行闭环控制程序的计算机模块，信号发生与功率放大模块，声操控机器人平台和集成CCD摄像机的显微成像模块。

图2. 超声-微纳机器人平台的声场分布计算与验证。（a）微颗粒动态运输过程演示，主要包含捕获和运输两个步骤。（b）微颗粒捕获过程的原理示意图i和试验测得的运动路径ii。（c）和（d）83kHz和84kHz频率下对应的有限元计算声流场调制结果i, 微颗粒的运输原理示意图ii和试验测定的运动路径iii。

图3. 基于视觉反馈的闭环操控系统流程图。（a）闭环声操控程序组成框图，主要包括任务输入单元，控制处理与决策单元，执行与监测单元，误差评估单元等。（b）图像处理过程包括原始图像获取i，灰度图像处理ii，二进制图像处理iii，位置坐标获取iv。（c）用于目标物智能识别的灰度等级设置与阈值划分。

图4. 闭环声操控技术用于人工微颗粒输运。（a）针对单个5微米直径微颗粒的自主运输和高精度定位调控策略。（b）单个微颗粒自主高精度定位过程及多个目标位置之间的定位切换。（c）30微米行程范围内不同误差等级设置对最终定位精度的影响。（d）和（e）微颗粒不同运行方向下的行程与位移误差之间的对应关系。（f）驱动电压对双向运动的单个微颗粒位移误差的影响。（g）基于检索因子实现的不同微颗粒单目标位置精准运输原理和试验效果。

图5. 基于视觉反馈闭环声操控技术的癌细胞精准操控。（a）单细胞在微操控机器人一侧任意目标位置的精准操控示意图。（b）经过二进制图像处理的Hela细胞智能化识别与三目标位置连续切换操控效果。（c）针对图b所示的单细胞实际运动轨迹测量结果。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202100470

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