磁性软体机器人，通过支架形状的适应性控制，在大脑中动脉M4段的血管中实现主动导航，完成释放和回收。当磁力驱动关闭时，该机器人也能承受住血流冲击。

1、应用于远端血管介入的机器人系统设计

图1. a.远端血管介入的应用场景整体概念。这里展示大脑中动脉（MCA）M4段，血管介入手术具有挑战性。磁性软体机器人的主要运动能力：在不同直径的管腔中通过形状适应实现前进和后退；在磁场关闭的情况下承受血流冲击；在弯曲的血管通路和分支血管之间穿行。该机器人可以作为一种移动载体，通过载药或栓塞材料达到治疗急性缺血性中风、动脉瘤和动静脉畸形的目的。b. 机器人CAD设计图和机器人原型图。选择支架形结构，使机器人具有高径向变形能力和低流体阻力特性。机器人有三个关键的设计参数：支杆间距h，冠状结点的曲率半径ρ，以及每段的轴向振幅f。机器人内钕铁硼铁磁微粒子使用1.8T磁场进行均匀磁化。螺旋角φ的右手螺旋结构，通过磁力矩将围绕螺旋轴的旋转运动转换为沿螺旋轴的线性运动，产生的各向异性摩擦可以实现轴向推进运动。c. 磁驱动系统由一个7自由度机械臂、一个步进电机和一个50mm³钕铁硼永久磁铁组成。通讯框架由机器人操作系统（ROS）实现。d. 机器人通过磁力矩和磁力驱动。在远离磁矩mr的磁铁的pra处机器人，绕着磁铁所附局部坐标xr-yr-zr的y轴旋转。磁铁也以vmag的速度平移，并以αmag的角度相对于全球坐标x-y-z重新定位。考虑到大脑皮层与头皮的距离ls=15毫米的要求，磁铁应沿z轴放置在离机器人至少50毫米的地方，即lmag≥50毫米。该机器人可以作为其他器械工具的移动载体，治疗急性缺血性中风、动脉瘤和动静脉畸形。

2、径向形状适应和自我锚定能力

图2. a. 机器人在血管腔内的径向形状适应，直径Φl从1毫米变化到1.5毫米（phantom A），形状适应是由磁铁沿轴线离开机器人的最大允许距离lmag_max来量化的，lmag_max由投影面积Sp、螺旋的完整性λh、Φl和杨氏模量Er决定。b. Sp被定义为机器人对xr-zr平面的投影面积。在较小的Φl中，较高的Sp往往会引起机器人上的流体阻力Fdrag大大增加。支架形结构的径向变形能力使Sp缩小到更小的Φl。c. 不连续螺旋线的完全性与径向变形。对于一个螺距，完整性被定义为涂层螺旋长度（恒定和不连续的，在放大图中用红色表示）和完整螺旋长度（变化和连续的，在放大图中用红色和蓝色表示）之间的比率。完整的螺旋线长度与直径成正比。对于较小的Φl，完整性得到改善，各向异性摩擦力对轴向运动的影响可以得到加强。d. lmag_max的建模。考虑到具有低流体阻力和各向异性摩擦力的设计，Er和Φl决定lmag_max。研究者选择了Er=6.44的设计，所有的lmag_max都严格大于50毫米。e. 磁铁平移速度vmag对投影A（fmag=0.5 Hz，lmag=55毫米）中机器人位移的影响。在模型 A中机器人运动的滞后距离表明机器人可以很好地跟随磁铁，vmag在0.5毫米/秒左右适合于没有滞后的驱动。

3、在高度弯曲的血管路径中的运动

图3. a. 对弯曲血管管腔的生理要求与流速可视化（包括弯曲血管的路径和血管分叉）。图中指出曲率半径Rc和分叉角θb。b. 管腔的曲率κ和Φl对机器人到达弯曲管腔的所需最小扭矩Tmin（Er=6.44MPa）的影响。增加κ（更多弯曲的管腔，Rc更小或θb更大）和Φl会增加Tmin。c. d. 通过5毫米的可回撤的弯曲通路图片。由于磁铁领先位置而产生的磁力Fmag，由于磁铁的重新定位而产生的磁力矩Tmag,z，以及由于磁铁的旋转而产生的腔壁反作用力Freact，克服了Tmin，实现弯曲路径的通过。e. 弯曲路径通过的策略（"+"和"-"代表磁铁围绕轴线的旋转方向）。f. 机器人在模型C-E（fmag = 0.5 Hz，lmag = 55 mm）中不同Rc运动速度的实验结果。模型A实验中的通过速度为0.18毫米/秒左右，这表明在弯曲路径中不会降低运动速度。

4、血管分叉处的运动

图4. a. 机器人在角度θb为60°的分叉血管的运动过程。在每个时间步长上，只标出使通过得以进行的主导力和扭矩。来自Fmag的磁力诱导扭矩、Tmag,zr的磁扭矩和Freact的反作用力诱导扭矩的组成，弯曲并引导机器人进入所需的分支。b. 坐标系统和通点离散化。c. 分支通过的策略。d. 机器人在模型F-I中不同分叉角的运动速度。在模型A实验中的通过速度为0.18毫米/秒，这表明在分叉处通过不会降低运动速度。

5、医学成像模式下的机器人运动检测

图5. 在所有的实验中，进入口的液体流速为12毫升/分钟。a. 在曲折的路径上运动（模型 J）。b. 在倾斜角γi为180°，Rc为1mm的极度弯曲的路径中运动（模型K）。c. 在二维的分支中运动（模型L）。在t = 1分钟10秒时，磁铁被移开，但机器人可以安全地承受液体流动。g. 在有和没有颅骨模拟物作为覆盖物的PDMS模型中，机器人检测最佳X射线成像参数（造影剂）。

6、按需局灶靶向给药和血流分流的概念验证

图6. a. 基于SMP的可折叠结构设计的变体，用于按需局灶给药治疗急性缺血性中风的血管内组织纤溶酶原激活剂（tPA）。b. 展示基于射频的加热和释放由丝纤维素和荧光素染料组成的复合物。c 携带tPA进行溶栓的效果。血栓由黑色虚线标示。d. 溶栓效果的定量结果。e. 机器人与微导管的兼容性，用于动脉瘤和动静脉畸形的血流导向治疗。f. 囊状动脉瘤，瘤颈面积为0.44mm²时，孔隙率为46%。在覆盖瘤颈的空隙面积与总面积的比率为孔隙率，表示分流的效果。当孔隙率小于70%时，血流条件更有利于血栓的初始化形成并促进动脉瘤闭塞。g. 通过微导管（ID：0.03英寸）输送的机器人血流分流实验证实，磁力控制可达模型N中的目标病变部位。