[发明专利]一种组合层级螺旋式微纳米游泳机器人

说明书

一种组合层级螺旋式微纳米游泳机器人，所述游泳机器人包括层级式螺旋尾、刚性头部、内置电机装置，整体工作环境为低雷诺系数流场环境。其中：所述层级螺旋尾的由亲水单体材料单步光刻制造；所述刚性头部采用镍材料；所述内置电机装置采用电能驱动提供初始动力；所述工作环境为硅油流场。本发明的组合层级螺旋式微纳米游泳机器人可以极大地提高当前游泳机器人的运动速度，同时保证相当的稳定性和恢复力，通过组合设计可以实现速度梯度靶向治疗或药物运输等功能或应用。

技术领域

本发明属于微型机器人领域，具体涉及一种组合层级螺旋式微纳米游泳机器人。

背景技术

微型游泳机器人能够在非结构化或高度复杂的环境中灵活游动，在交付治疗、组织工程学、微创手术治疗、生物电子学等方面拥有广泛的研究价值和应用前景。如利用微型游泳机器人载药，运输到人体内病灶所在位置进行交付治疗。在设计微型游泳机器人时需要考虑不同的性质：柔软性，使其能够与周围的细胞覆盖的软组织等敏感环境进行温和的交互，而不造成损伤；对刺激作出反应的可重构性和聪明性，以改善运动和功能方面的适应性。然而，现有的微型游泳机器人推进速度慢，推进速度峰值约为40微米/秒；对外部驱动依赖性强，例如外接电机通过化学能驱动，或者通过磁场、声能、光能等进行驱动，这都增加了正体结构复杂性，降低了小型化机器人在特殊环境中的灵活性。为了解决和实现高效稳定推进微型游泳机器人，更需要从结构设计入手进行游泳性能的改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微型游泳机器人推进速度慢问题，提供一种组合层级螺旋式微纳米游泳机器人，在保证稳定性和恢复力维持现有水平的基础上，经过后面的层级结构设计，推进速度能大幅度提升，降低对外加驱动的依赖性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种组合层级螺旋式微纳米游泳机器人，所述机器人包括刚性头部、层级螺旋尾、驱动电机、头尾连接段，其中：

所述刚性头部内部放置微型驱动电机，为微型游泳机器人运动提供驱动力；

所述头尾连接段为直径相同的螺旋结构，所述层级螺旋尾为直径逐渐增大的螺旋结构，所述头尾连接段和层级螺旋尾一体制成；所述头尾连接段与刚性头部紧密粘接。

刚性头部与层级螺旋尾间隙配合，完全粘接。几何上刚性头部和螺旋尾之间不是刚好尺寸贴合，预留一定胶粘的缝隙。例如刚性头部的半径为0.64μm，螺旋尾截面为圆形，半径为0.09μm，螺旋半径为0.74μm，中间留有0.01μm的空隙。在数值计算建模过程中，如果结构尺寸正好配合会出现面的交集、导致划分网格出现问题，所以采用了这样的操作；在实际实验制备中，尺寸刚好配合会为胶粘带来一定的麻烦，预留尺寸能保证测量和操作更加精准。所述刚性头部与层级螺旋尾中间包含连接过渡段，头部与尾之间为绑定连接，连接部分为半径一致的螺旋线。图1中头尾连接段为层级螺旋尾初始段，依旧采用半径一致的螺旋线设计，保证头、尾之间的正常连接，避免虚接触、运动过程头尾分离。

进一步地，所述层级螺旋尾由亲水单体通过光刻法制造。

进一步地，所述层级螺旋尾采用AAm亲水单体材料(NIPAAm/AAm/PEGDA配比为85:15:1)制成，其整体长度为13.5～16.5μm。

进一步地，所述刚性头部采用金属镍制成，采用圆柱构型，其高度7.5μm，半径0.64μm。

进一步地，所述层级螺旋尾截面为圆形，整体径向半径逐渐增大，初始螺旋半径为R₁，径向半径为R_H，最大半径R₂由以下方程表示，其中n为螺旋的圈数：R₂＝R₁+nR_H。