王 馨， 魏樹峰， 陳昌友， 徐建省， 張玉霞， 宋 濤

(1. 中國科學(xué)院電工研究所生物電磁學(xué)北京市重點實驗室， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

用于磁性微機器人的外磁場調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計與研制

王 馨1,2， 魏樹峰1， 陳昌友1,2， 徐建省1， 張玉霞1， 宋 濤1

(1. 中國科學(xué)院電工研究所生物電磁學(xué)北京市重點實驗室， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

隨著微機器人的發(fā)展，磁性微機器人憑借其能源供給的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。由于研究對象不斷向微細(xì)化發(fā)展，本文結(jié)合顯微鏡環(huán)境設(shè)計了一種用于磁性微機器人的外磁場調(diào)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由上位機、磁場控制模塊和圖像顯示模塊三部分構(gòu)成。磁性微機器人是通過線圈裝置產(chǎn)生的外磁場來控制的，本文設(shè)計的線圈裝置能夠在線圈中心40mm×30mm的平面區(qū)域產(chǎn)生0～1mT的沿水平方向的靜磁場和頻率為0～50Hz、幅值0～1mT的旋轉(zhuǎn)磁場，能夠?qū)崿F(xiàn)對磁性微機器人直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的控制。本文使用BX53顯微鏡對磁性微機器人的運動進行放大，實現(xiàn)其運動的實時顯示和追蹤。本文還編寫了一套控制軟件來實現(xiàn)上述控制功能和實時顯示功能。

磁性微機器人； BX53顯微鏡； 運動控制系統(tǒng)； 電磁線圈

1 引言

微型機器人，尤其是進入人體的無線內(nèi)窺鏡和可用于體內(nèi)診療的微機器人的發(fā)展和應(yīng)用已成為國內(nèi)外機器人研究的熱點[1]。微機器人可在藥物輸送、疾病檢測、靶向治療特別是癌癥治療等方面發(fā)揮重要的作用[2]。

微型機器人的發(fā)展急需解決驅(qū)動能源的供給問題[3]。近年來國內(nèi)外不少學(xué)者提出利用外場能量來作為微型機器人的驅(qū)動能源，并取得了進展。外場能量有微波、磁場、超聲波和光波等，其中應(yīng)用比較多的是磁場[4]。磁場驅(qū)動的微機器人結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，得到了較廣泛的應(yīng)用。一般的外磁場調(diào)控的微型機器人內(nèi)部具有固有磁矩(大多采用永磁塊)，通過控制外部的磁場可以調(diào)節(jié)其姿態(tài)；通過施加旋轉(zhuǎn)磁場帶動具有螺旋結(jié)構(gòu)的微型機器人，從而產(chǎn)生推進力[5]。

然而，隨著納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究對象不斷向微細(xì)化發(fā)展，一些醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的精細(xì)操作都離不開高精度的微機器人系統(tǒng)，這便需要高倍頻、高分辨率的顯微視覺系統(tǒng)的輔助。因此與顯微鏡結(jié)合的電磁控制系統(tǒng)是對磁性微機器人進行調(diào)控的關(guān)鍵。

趨磁細(xì)菌是一類能夠沿著磁力線運動的特殊細(xì)菌，其體內(nèi)含有呈鏈狀排列的單磁疇顆粒；將趨磁細(xì)菌與功能部件結(jié)合即構(gòu)成趨磁細(xì)菌機器人[6]。本文針對趨磁細(xì)菌機器人設(shè)計并研制了一套與顯微成像結(jié)合的外磁場調(diào)控系統(tǒng)，能夠在顯微鏡下對趨磁細(xì)菌機器人進行觀察并進行運動軌跡的控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本控制系統(tǒng)主要由三部分組成：上位機、磁場控制模塊和圖像顯示模塊，如圖1所示。上位機完成對整個系統(tǒng)的控制，并且提供直觀的信息服務(wù)和決策支持，主要包括恒定磁場控制模塊、交變磁場控制模塊、磁場手動控制模塊和顯微圖像實時顯示模塊。由于趨磁細(xì)菌會沿著磁場的方向泳動，通過磁場控制模塊可以實現(xiàn)對趨磁細(xì)菌機器人的有效控制。該模塊是本控制系統(tǒng)的核心部分，其主要由正交線圈對、數(shù)據(jù)采集卡和穩(wěn)壓直流源構(gòu)成。通入線圈中的電流大小由上位機給出，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，通過數(shù)據(jù)采集卡控制穩(wěn)壓直流電源每一路輸出電流的大小，從而實現(xiàn)對線圈產(chǎn)生磁場的控制。圖像顯示模塊的功能是通過正置顯微鏡BX53上安置的網(wǎng)絡(luò)攝像機來實現(xiàn)的，觀察目標(biāo)經(jīng)過目鏡的放大，通過網(wǎng)絡(luò)攝像機將觀察目標(biāo)的光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為圖像信號并傳輸?shù)缴衔粰C，當(dāng)觀察目標(biāo)的運動偏離觀察視野時，可調(diào)節(jié)三維移動平臺的位置保持觀察目標(biāo)在視野范圍之內(nèi)。采用圖像顯示界面和磁場控制界面相結(jié)合，可以更方便地對觀察目標(biāo)進行實時觀察和運動控制。

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

3 磁場產(chǎn)生裝置

3.1 線圈的設(shè)計與測試

本文根據(jù)所使用的BX53顯微鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計了一套線圈裝置。設(shè)計的線圈要滿足在載玻片所在的平面區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生0～1mT的任意水平方向的均勻磁場，而且線圈不能影響顯微鏡的正常操作，另外線圈還要便于安裝。根據(jù)上述要求，本文設(shè)計了一套置于顯微鏡外圍的矩形正交線圈對。該線圈裝置總共有4組線圈，如圖2所示。其中A、B兩組線圈分別產(chǎn)生沿X軸正方向和負(fù)方向的磁場，C、D兩組線圈分別產(chǎn)生沿Y軸正方向和負(fù)方向的磁場。4組線圈分別由4路獨立可調(diào)的恒流電源驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)4組線圈中的電流，即可產(chǎn)生所需的任意方向的水平磁場。為了更加方便地控制磁場，本系統(tǒng)中增加磁場手動控制模塊，利用操縱桿手動控制磁場的方向和大小，在實際操作中可自主選擇設(shè)定磁場數(shù)值模式或手動控制模式，提高系統(tǒng)控制磁場的靈活性。另外可以通過軟件控制產(chǎn)生0～50Hz極低頻的旋轉(zhuǎn)磁場，不同于控制驅(qū)動微機器人的旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場主要用來實現(xiàn)在X-Y平面內(nèi)趨磁細(xì)菌機器人的停止控制。在實際操作中，可以根據(jù)需要選擇輸出恒定磁場或旋轉(zhuǎn)磁場，并將所需的磁場值輸入給上位機，利用數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，控制直流穩(wěn)壓電源對四組線圈進行激勵便可以產(chǎn)生所需的磁場。本文所設(shè)計的線圈的結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 磁場發(fā)生裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of magnetic field generator

圖3 線圈結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of coils

參數(shù)數(shù)值A(chǔ)組B組C組D組線圈長l/mm290290470470線圈寬w/mm290290370370線圈厚度d1/mm34342424線圈厚度d2/mm20202525線圈間距b/mm306306296296線圈匝數(shù)n195195176176

本文根據(jù)上述設(shè)計制作了一套實際線圈，并搭建了一套控制系統(tǒng)，如圖4所示。線圈骨架使用環(huán)氧樹脂板制作。A、B兩組線圈具有相同的尺寸，因此本文采用雙線繞制的方法將A、B繞制在同一個線圈骨架上，這樣可以保證A、B兩組線圈具有相同的磁場分布。A組線圈和B組線圈分別通入方向相反的激勵電流從而產(chǎn)生方向相反的磁場。C、D兩組線圈同樣采用雙線繞制的方法制作。線圈用線徑為1.06mm的漆包線繞制而成。本文采用DH1715A-5直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源對線圈進行驅(qū)動，電源的最大輸出電流為3A，最大輸出電壓35V，輸出電流的穩(wěn)定度0.05%。

圖4 系統(tǒng)實物圖Fig.4 Photograph of system

在線圈制作完成后，對線圈的性能進行了測試。利用TMF-1數(shù)字三軸磁強計(北京空間宇達(dá)科技有限公司)對所制作的線圈產(chǎn)生磁場的分布進行了測量。測量區(qū)域為線圈中心區(qū)平面(Z=0)40mm×30mm的區(qū)域，在該平面區(qū)域內(nèi)每隔5mm選取一個測量點進行測量。分別測量了A、B線圈產(chǎn)生的X方向磁場和C、D線圈產(chǎn)生的Y方向磁場，在每一個測量點分別測量線圈通電流和不通電流兩種狀態(tài)下的磁場值，然后做差消除背景磁場分量，對測量結(jié)果歸一化后的結(jié)果如圖5所示。由圖可知，A組和B組線圈產(chǎn)生磁場的最大偏差不超過2.5%，C組和D組線圈產(chǎn)生磁場的最大偏差都不超過0.6%。測量結(jié)果表明線圈具有較好的均勻性，所制作的線圈滿足設(shè)計要求。當(dāng)線圈A和B通入3A電流時，測得線圈中心位置的磁場為1.3mT；當(dāng)線圈C和D通入3A電流時，測得線圈中心位置的磁場為1.6mT。結(jié)果表明，所設(shè)計的線圈可達(dá)到在平面區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生0～1mT均勻磁場的設(shè)計要求。

圖5 線圈實際測量結(jié)果圖Fig.5 Measuring results of magnetic field distribution

3.2 旋轉(zhuǎn)磁場的生成

為了實現(xiàn)對趨磁細(xì)菌機器人的停止控制，可以在X-Y平面施加一個旋轉(zhuǎn)磁場，使其在一個小的區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)而停止前進。由于本文中所設(shè)計的線圈為平面內(nèi)的正交線圈，可以通過在兩個相互正交的方向上分別施加頻率相同、相位相差90°的正弦磁場來實現(xiàn)平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁場。這樣的實現(xiàn)方法對所使用的電源有一定的限制，即電源須為雙極性電源。但是由于當(dāng)電流在零點附近變化時，雙極性電源的性能并不穩(wěn)定，所以在線圈設(shè)計時采用雙線繞制線圈，并對同一方向的兩組線圈分別采用單極性直流電源進行驅(qū)動，避免了雙極性電源的使用。旋轉(zhuǎn)磁場的具體實現(xiàn)方式是當(dāng)sinωt≥0時，在A組線圈中通入電流IA,此時A組線圈可產(chǎn)生kAIAsinωt的磁場,當(dāng)sinωt<0時，在B組線圈中通入電流IB,此時B組線圈可產(chǎn)生kBIBsinωt的磁場;同理，當(dāng)cosωt≥0和cosωt<0時，分別在C組和D組線圈中通入電流IC和ID,從而使C組線圈和D組線圈分別產(chǎn)生kCICcosωt和kDIDcosωt的磁場，其中k為線圈電流與所產(chǎn)生磁場的比例系數(shù)，與線圈的尺寸、結(jié)構(gòu)等有關(guān)，ω為旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率，當(dāng)kAIA=kBIB=kCIC=kDID=K時，四組線圈產(chǎn)生的磁場疊加就可以得到旋轉(zhuǎn)磁場：

B=BA+BB+BC+BD

(1)

因此可以按照上述的方式激勵4組線圈并調(diào)節(jié)線圈電流使kAIA=kBIB=kCIC=kDID=K，這樣就可以在線圈的中心區(qū)域產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，通過調(diào)節(jié)激勵電流的相位可以實現(xiàn)磁場的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

4 軟件設(shè)計

本文基于MFC編寫了該系統(tǒng)的控制軟件，該軟件包括磁場控制模塊和圖像實時顯示模塊兩部分。磁場控制模塊主要實現(xiàn)的功能是方向可調(diào)的磁場的生成、旋轉(zhuǎn)磁場的生成以及通過操縱桿對磁場進行手動控制。圖像的實時顯示模塊主要實現(xiàn)對顯微鏡所觀察的目標(biāo)進行實時的顯示及跟蹤，以便于實驗的觀察和磁場的調(diào)節(jié)。軟件的具體流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Flow chart of system software

4.1 磁場控制模塊

磁場控制模塊中可以在用戶界面中選擇所要施加的磁場為恒定磁場或者旋轉(zhuǎn)磁場，并且設(shè)定所要施加的磁場大小和方向，如果選擇旋轉(zhuǎn)磁場，還可設(shè)定旋轉(zhuǎn)磁場的頻率和輸出時間間隔。由于本文的正弦磁場是將離散的正弦信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進行DA變換后控制恒流源輸出得到的，所以輸出的磁場波形為階梯狀，在頻率一定的情況下，輸出時間間隔越小，波形越平滑，但由于計算機響應(yīng)時間也會較長，輸出波形的頻率穩(wěn)定性變差。本文在實際應(yīng)用中通常將輸出點數(shù)設(shè)置為100。為了避免誤操作而輸入過大的磁場值，在軟件中設(shè)置磁場輸入范圍0～10 mT，頻率范圍0～50Hz，輸出時間間隔大于1ms。當(dāng)輸入數(shù)值超出閾值系統(tǒng)就會報警，提示輸入錯誤，從而增加系統(tǒng)的可靠性。在系統(tǒng)運行過程中，會實時顯示所輸出的磁場的大小和方向。本系統(tǒng)中添加了對磁場的手動控制部分，通過推動操縱桿來改變磁場的大小和方向，提高系統(tǒng)操作的靈活性。

4.2 圖像實時顯示模塊

為了更加方便地實現(xiàn)對趨磁細(xì)菌機器人的控制和實時觀察，本系統(tǒng)中設(shè)計了顯微圖像顯示模塊。顯微鏡上安置有10X、20X和40X等倍數(shù)的鏡頭，可根據(jù)實際觀察的物體合理選擇鏡頭。連接在顯微鏡上的網(wǎng)絡(luò)攝像機(型號海馳HCH5001)采集的視頻為720p格式，分辨率為1280×720p/60Hz，F(xiàn)PS幀率為25幀/s，可以提供清晰、流暢的畫面。網(wǎng)絡(luò)攝像機將顯微鏡得到的光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，并對其進行壓縮、打包，以H.264格式通過網(wǎng)線傳輸給上位機。H.264是新一代的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的壓縮比和較好的網(wǎng)絡(luò)適配性，但是與視頻顯示相關(guān)的windows API函數(shù)并不支持此格式，所以將傳輸?shù)缴衔粰C的H.264視頻進行解壓縮，得到分辨率為1280×720的YUV420格式的圖像，再將其轉(zhuǎn)化為RGB圖像進行顯示。該軟件的界面如圖7所示。通過測試表明本軟件運行穩(wěn)定，滿足趨磁細(xì)菌機器人的驅(qū)動控制和顯示追蹤的功能。

圖7 控制系統(tǒng)軟件界面Fig.7 Interface of control system software

5 實驗

為了驗證所搭建的磁場控制系統(tǒng)的可用性，選取趨磁細(xì)菌MO-1作為模型進行實驗。首先將菌液進行適當(dāng)稀釋，吸取10μl稀釋后的菌液滴在載玻片上，再用蓋玻片覆蓋。待液體平衡后在顯微鏡下觀察，實驗選取40X(40倍)目鏡進行放大觀察。

首先施加0.5mT向上的磁場，觀察MO-1的位置變化,并通過網(wǎng)絡(luò)攝像機抓拍到其運動的視頻圖像。為了更直觀地觀察MO-1位置的變化情況，將得到的連續(xù)5幀視頻圖像進行合并，如圖8(a)所示。圖中A處為固定參照物，從圖中可以看出，在磁場的控制下MO-1的位置不斷上移，運動方向如圖中黑色虛線所示。

當(dāng)改變磁場方向向右、保持磁場幅值不變時，由于慣性原因，MO-1向前繼續(xù)運動一段距離，經(jīng)過一段弧型的軌跡后，再沿與磁場一致的方向繼續(xù)運動，其運動軌跡如圖8(b)所示。同樣，當(dāng)改變磁場方向向下和向左時，趨磁細(xì)菌MO-1也沿相應(yīng)的磁場方向運動，如圖8(c)和圖8(d)所示。

圖8 MO-1在不同方向的磁場下運動Fig.8 Motion of MO-1 in magnetic fields in different directions

當(dāng)施加幅值為0.5mT、頻率為1Hz的旋轉(zhuǎn)磁場時，通過網(wǎng)絡(luò)攝像機抓拍到其運動的視頻圖像。在所得到的視頻圖像中每隔三幀選取一副圖像進行合并。從而得到MO-1在旋轉(zhuǎn)磁場下的運動軌跡，如圖9所示， MO-1做順時針的圓周運動，圖中黑色虛線為MO-1的運動方向。MO-1有時并不在同一平面運動，由于顯微鏡物鏡聚焦的調(diào)節(jié)相對MO-1的運動略有滯后，所以在一定程度上影響了MO-1圖像的清晰度。

圖9 MO-1在旋轉(zhuǎn)磁場下做圓周運動Fig.9 Rotating motion of MO-1 in rotating magnetic field

實驗表明，所設(shè)計搭建的磁場控制系統(tǒng)可有效

控制趨磁細(xì)菌MO-1的直線運動以及旋轉(zhuǎn)運動，并能實現(xiàn)趨磁細(xì)菌的實時顯示和跟蹤。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一套用于趨磁細(xì)菌機器人的運動控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過控制外磁場來實現(xiàn)對趨磁細(xì)菌的運動控制，通過BX53正置顯微鏡實現(xiàn)對目標(biāo)運動的實時顯示和追蹤。本文根據(jù)BX53的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了一套置于顯微鏡外圍的驅(qū)動線圈裝置，該線圈能產(chǎn)生0～1mT的靜磁場和頻率0～50Hz、幅值0～1mT的旋轉(zhuǎn)磁場。本文還編寫了一套利用磁場進行運動控制的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對觀察目標(biāo)運動的實時控制和顯示，軟件運行穩(wěn)定，能夠滿足實驗要求。本文設(shè)計的這套裝置為以后趨磁細(xì)菌機器人的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，也可方便地推廣應(yīng)用到其他磁性微機器人的外磁場調(diào)控中。

[ 1] Richter M, Kube M, Bazylinski D A, et al. Comparative genome analysis of four magnetotactic bacteria reveals a complex set of group-specific genes implicated in magnetosome biomineralization and function [J]. Journal of Bacteriology, 2007, 189(13): 4899-4910.

[ 2] Solovev A A, Sanchez S, Pumera M, et al. Magnetic control of tubular catalytic microbots for the transport, assembly, and delivery of micro-objects [J]. Advanced Functional Materials, 2010, 20(15): 2430-2435.

[ 3] Grünberg K, Wawer C, Tebo B M, et al. A large gene cluster encoding several magnetosome proteins is conserved in different species of magnetotactic bacteria [J]. Applied and Environmental Microbiology, 2001, 67(10): 4573-4582.

[ 4] 許良 (Xu Liang). 微醫(yī)療機器人旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動電源的研究 (Research on field driving power of medical micro robot with rotating magnetic) [D]. 大連：大連理工大學(xué) (Dalian: Dalian University of Technology), 2006. 12-13.

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[ 6] Bazylinski D A, Frankel R B. Magnetosome formation in prokaryotes [J]. Nature Reviews Microbiology, 2004, 2(3): 217-230.

Design and fabrication of external magnetic field controlled system for magnetic micro-robots

WANG Xin1,2， WEI Shu-feng1， CHEN Chang-you1,2， XU Jian-sheng1， ZHANG Yu-xia1， SONG Tao1

(1. Beijing Key Laboratory of Biological Electromagnetism, Institute of Electrical Engineering, CAS, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

With the development of the micro-robots, the magnetic micro-robots are widely used with the advantages in energy supply. A control system combined with a microscope which is used to control the motion of the magnetic micro-robots is designed in this paper. The system mainly consists of a computer, a magnetic field control module and an image display module. The motion of the magnetic micro-robots is controlled by the magnetic field. The magnetic field in a 40mm×30mm region of coils center can reach 0～1mT and its frequency is 0～50Hz. By setting different parameter values we can make the static magnetic field and the rotating magnetic field to control the straight linear motion and the rotation motion of the magnetic micro-robots. We use the microscope BX53 to magnify the motion of the magnetic micro-robots, then we control the motion of them and realize the image real-time display. A set of control software to realize the functions above is written.

magnetic micro-robots; microscope BX53; motion control system; magnetic coils

2015-03-20

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(51037006)

王 馨(1989-)， 女， 黑龍江籍， 碩士研究生， 研究方向為生物電磁技術(shù)； 宋 濤(1968-)， 男， 山東籍， 研究員， 博導(dǎo)， 研究方向為生物電工技術(shù)、 永磁技術(shù)及應(yīng)用、 電磁檢測技術(shù)(通信作者)。

TM153+.5

A

1003-3076(2016)02-0075-06