答辩题目：脑血管微丝机器人扭转控制研究
答辩人：苏笑宇
答辩时间：2022年1月4日，19:30-21:30
答辩地点：腾讯会议945-435-781
答辩内容简介：
使用机械深入病灶清除血栓一直是治疗中风的重要手段，但是自机械取栓手术发明以来，取栓手术使用的微导丝迟迟未获得技术突破，其被动导引过程严重阻碍了治愈率的提高。针对这一问题，世界范围内至今还未有稳妥可靠的解决方案，有效的技术路线屈指可数。本文首次将智能材料与微制造技术交叉融合，设计新型多层薄膜复合材料结构，通过表面微制造方式嵌入控制电路形成可主动扭转和弯曲的微丝机器人，有望使血管导引技术由被动控制变为主动控制，同时有利于采用灵活的的驱动方式和实现低成本大批量制造。针对微丝机器人扭转结构，围绕设计、建模、仿真、制造、样品测试和分析等关键步骤，开展了系统性研究工作。论文的主要工作和贡献如下:
1、围绕脑血管取栓导引背景，将智能材料与微制造技术交叉，首次提出了可用于血管内主动可控导引的微丝机器人概念。规范了微丝机器人的特征：尺度在0.1μm与100μm之间，由弯折与纯扭转两部分组成，包含TiNi与Al两种材料，通过热效应驱动，使用表面微制造技术制造，具备层合板结构特征，并且可以通过控制电路直接控制其变形的微小智能结构。建立了微丝机器人研究框架，明确扭转结构的材料工艺、制造技术和控制电路等问题是该研究框架中应重点关注的研究问题。
2、围绕微丝机器人可控材料的扭转机制，将物理气相沉积方法与光刻技术结合改进了规则反对称角铺设层合板，使其在微观尺度依然具有温度控制下的扭转特性。对这一改进过程进行材料结构设计并推导了力学模型，根据模型计算出改进型规则反对称角铺设层合板的最优铺设角度为45◦、总厚度为1.2μm，体积比为50%。通过MEMS制造工业级软件CoventerWare模拟了制造过程并制造出实验室级样品，用实验验证了其随温度改变的可控变形能力。最后，在基于有限元的多物理场耦合仿真中发现长度仅1200μm的样品在温度变化10◦C情况下可控扭转角度达到43◦，由此验证了改进型规则反对称角铺设层合板设计的合理性。
3、围绕微丝机器人扭转结构的控制机理，提出将隔离层嵌入改进型规则反对称角铺设层合板，从而建立了微丝机器人扭转结构的控制电路。对微丝机器人扭转结构的电压控制扭转模型进行建模，推导了输入电压信号情况下微丝机器人扭转结构的温度分布规律，并在该分布下获得了微丝机器人扭转结构远端输出的扭转角度。使用基于有限元的多物理场耦合仿真对以上推导形成对比验证，证明了微丝机器人通过输入0.05V电压可产生90◦C温度变化，进而产生21◦扭转。设计了适合微丝机器人扭转结构的微制造工艺流程与对应的光刻掩膜，并通过实验验证了微丝机器人扭转结构的有效性。实验测试表明微丝机器人扭转结构样品的安全电压为0.4V，极限温度为125◦C。
4、围绕微丝机器人进行系统约束分析、优化和实验测试。通过Comsol多物理场耦合仿真与MATLAB数字仿真，联合预测出当远端温度变化量达到人体极限温度变化量10◦C时，长度15cm的微丝机器人扭转角度达到285◦，远超原设计要求的90◦扭转范围，能够胜任血管内转弯导引需求。通过提出平头T门结构制造步骤，对微丝机器人的物理结构进行了硬件优化，从结构制造角度提高了微丝机器人样品与原始设计图纸的一致性。完成了微丝机器人电-热-扭转实验，在扫描电子显微镜下使用0.2V电压控制1500μm微丝机器人实现了18◦扭转。将实验结果与前文共6组计算、仿真结果交叉对比，证明了微丝机器人扭转结构具备使用电压主动控制扭转变形的能力。
答辩人简介：
苏笑宇，男，西北工业大学自动化学院2015级博士研究生，导师为潘泉教授，专业为控制科学与工程，主要研究方向为微尺度智能结构体。
