مدل‌سازی دینامیکی میکروربات شناگر سه تاژکی با پیشرانش بیولوژیکی پروکاریوتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده‌ مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز

2 دانشیار دانشکده‌ مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز

3 استاد دانشکده‌ مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

4 دکتری، دانشکده‌ مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

تکنولوژی سیستم‌های میکروالکترومکانیکی تحولات چشمگیری را به ویژه در علم پزشکی به وجود آورده است. میکروربات‌های شناگر دسته‌ای از میکروربات‌های پزشکی هستند که با استفاده از این تکنولوژی طراحی و ساخته می‌شوند. در این مقاله، با الهام گرفتن از نحوه‌ی حرکت موجودات زنده‌ی ریز میکرونی در طبیعت نظیر میکروارگانیسم‌ها، یک میکروربات شناگر تاژکی سه درجه آزادی معرفی شده و مدل دینامیکی مربوط به حرکت سه‌ بعدی آن استخراج می‌شود. در میکروشناگر مورد نظر برای ایجاد پیشروی از تاژک‌های مارپیچی شکل پروکاریوتی استفاده شده است، که حرکت چرخشی این تاژک‌ها در داخل سیال واسطه باعث ایجاد نیروی پیشرانش می‌شود. با توجه به ابعاد ریز و همچنین سرعت بسیار پایین میکروربات‌های شناگر، حرکت آنها در جریان‌های با رینولدز بسیار کوچک  صورت می‌گیرد. بنابراین نیروهای اینرسی نقش ناچیزی را در مقایسه با نیروهای لزجتی بر عهده خواهند داشت. برای تعیین نیروی پیشرانش ایجاد شده توسط هر تاژک از تئوری نیروی مقاوم استفاده می‌شود. بر اساس این تئوری مولفه‌های نیروی هیدرودینامیکی لزجتی با استفاده ضرایب نیروی مقاوم و سرعت‌های محلی تاژک محاسبه می‌شوند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهد که با بکار گرفتن سه تاژک می‌توان قابلیت انجام مانورهای سه بعدی در میکروشناگر ایجاد کرد.

کلیدواژه‌ها


[1] Li, H., Tan, J., and Zhang, M., “Dynamics modeling and analysis of a swimming microrobot for controlled drug delivery”, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, Vol. 6, pp. 220-227, 2009. [2] Nelson, B. J., Kaliakatsos, I. k., and Abbott, J. J. “Microrobots for minimally invasive medicine”, Annu. Rev. Biomed. Eng., 12, pp. 55–85, 2010. [3] Zhang, M., Tran, T. J., and Xi, N. “Micro/Nano-devices for controlled drug delivery”, In: Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2068-2073, 2006. [4] Nourmohammadi, H., Ghanbari, A. and Bahrami, M. “Dynamic modeling and simulation of three-dimensional motion of a flagellar swimming microrobot”, (In Persian), 20st Annual International Conference on Mechanical Engineering, ISME 2012, Shiraz, Iran (2012). [5] Fukuda, T., Kawamoto, A., Aria, F., and Matsuura, H. “Mechanism and swimming experiment of micro mobile robot in water”, In: Proceeding of the IEEE International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems, New York. pp. 273-278, 1994. [6] Edd, J., Payen, S., Sitti, M., Stoller, M. L., and Rubinsky, B. “Biomimetic propulsion mechanism for a swimming surgical micro-robot”, In: Proc of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, Las Vegas, USA, pp. 2583-2588, 2003. [7] Behkam, B., and Sitti, M. “E. Coli Inspired Propulsion for Swimming Microrobots”, In: Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Conference and Exposition, New York, 2004. [8] Behkam B. and Sitti M. “Modeling and Testing of a Biomimetic Flagellar Propulsion Method for Microscale Biomedical Swimming Robots”, In: Proceedings of the International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, California, USA, pp. 37-42, 2005. [9] Behkam, B., and Sitti, M. “Design methodology for biomimetic propulsion of miniature swimming robot”, Trans. ASME J. Dyn. Sys. Meas. Control 128, pp. 36–43, 2006. [10] Kosa, G., Shoham, M. “Propulsion Method for Swimming Microrobot” IEEE Transaction on Robotics, Vol. 23, No, 1, 2007. [11] Singleton, J., Diller, E., Andersen, T., Regnier, S., and Sitti, M. “Micro-scale propulsion using multiple flexible artificial flagella” In Intelligent Robots and Systems (IROS), IEEE/RSJ pp. 1687-1692, 2011. [12] Ghanbari, A., and Bahrami, M. “A novel swimming microrobot based on artificial cilia for biomedical applications”, Journal of Intelligent and Robotic Systems, Vol. 63, pp. 399-416, 2011. [13] Ghanbari, A., Bahrami, M., and Nobari, M. R. H. “Methodology for artificial microswimming using magnetic actuation”, Physical Review E. 83, 064301, 2011. [14] Nourmohammadi, H. and Bahrami, M. “Dynamic Modeling and Tracking Control of a Swimming Microrobot propelled by Two Prokaryotic Flagella”, IJST, Transaction of Mechanical Engineering, Vol. 38, No. M1, pp. 135-141, 2014. [15] Ghanbari, A., Chang, P.H., Nelson, B.J., and Choi, H. “Electromagnetic Steering of a Magnetic Cylindrical Microrobot Using Optical Feedback Closed-Loop Control”, International Journal of Optomechatronics, Vol. 8, pp. 129-145, 2014 [16] Hancock, G. “The self-propulsion of microscopic organisms through liquids”, In: Proc. R Soc. London, Ser. A, 217, pp.96-121, 1953. [17] Lighthill, J. “Flagellar hydrodynamics”, SIAM Review, Vol. 18, pp.161-230, 1976. [18] Chwang, T., and Wu, T. “A note on the helical movement of micro-organisms”, In: Proc. R. Soc. London, Ser. B, 178, pp. 327-346, 1971.