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中(zhong)科大(da)：新型動(dong)態(tai)重編(bian)程磁(ci)控軟(ruan)體(ti)機器(qi)人(ren)

更(geng)新時間：2025-09-03

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近(jin)期(qi)，中(zhong)國(guo)科學(xue)技(ji)術(shu)大(da)學(xue)工(gong)程科學(xue)學(xue)院(yuan)、人(ren)形機器(qi)人(ren)研究院(yuan)的(de)李(li)木軍副(fu)教(jiao)授(shou)，張世武(wu)教授(shou)，聯合(he)計算機科學(xue)與(yu)技(ji)術(shu)學(xue)院(yuan)李(li)向陽(yang)教授(shou)，提出了(le)壹種新(xin)型(xing)動(dong)態(tai)重編(bian)程磁(ci)控軟(ruan)體(ti)機器(qi)人(ren)。通過(guo)可感知(zhi)磁(ci)諧(xie)振(zhen)結(jie)合相(xiang)變軟(ruan)材(cai)料設(she)計，實現了(le)單(dan)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)磁(ci)軟(ruan)體(ti)機器(qi)人(ren)的(de)原(yuan)位重(zhong)編(bian)程，並(bing)演(yan)示(shi)了(le)其(qi)在復(fu)雜任(ren)務(wu)、多機協(xie)作(zuo)和(he)原位(wei)組裝(zhuang)等(deng)多方(fang)面的(de)應(ying)用。成(cheng)果以“Addressable and perceptible dynamic reprogram of ferromagnetic soft machines"為(wei)題(ti)發表在國(guo)際(ji)期刊(kan)《Nature Communications》上(shang)。

磁(ci)控軟(ruan)體(ti)機器(qi)人(ren)因其(qi)無線(xian)可控(kong)性(xing)、多(duo)功(gong)能(neng)性(xing)和(he)生物安(an)全性(xing)，在(zai)生物醫(yi)學(xue)中(zhong)得(de)到(dao)廣泛應(ying)用。但(dan)傳統(tong)磁(ci)性(xing)軟(ruan)體(ti)機器(qi)人(ren)依賴固(gu)定(ding)磁(ci)化模(mo)式(shi)，其(qi)功(gong)能(neng)與(yu)適(shi)應(ying)性(xing)受限(xian)於(yu)單(dan)壹預設(she)形(xing)態(tai)，同(tong)時由於全局磁(ci)場(chang)的(de)存(cun)在(zai)，如(ru)何(he)實(shi)現多(duo)機系(xi)統(tong)間選擇(ze)性(xing)驅動(dong)和(he)共(gong)同(tong)協(xie)作(zuo)也壹直(zhi)是磁(ci)控軟(ruan)體(ti)機器(qi)人(ren)應(ying)用的(de)關(guan)鍵問題(ti)。針(zhen)對(dui)上(shang)述問題(ti)，研究團(tuan)隊提出了(le)壹種多(duo)磁(ci)場(chang)協(xie)同(tong)作(zuo)用的(de)控(kong)制策(ce)略(lve)。通過柔(rou)性(xing)諧(xie)振(zhen)電(dian)路設(she)計，利(li)用高頻磁(ci)場(chang)（50-400 kHz）選擇(ze)性(xing)加(jia)熱機器(qi)人(ren)特(te)定(ding)區(qu)域，可實(shi)時感知(zhi)能(neng)量(liang)傳輸(shu)狀態。同(tong)時，采用低(di)溫(wen)相(xiang)變磁(ci)性(xing)復(fu)合材(cai)料(liao)，並(bing)利(li)用脈(mai)沖(chong)磁(ci)場(chang)打破(po)磁(ci)顆(ke)粒(li)間作(zuo)用力(li)，在(zai)40 mT低編(bian)程磁(ci)場(chang)下即(ji)可(ke)通過(guo)固-液相(xiang)變實現磁(ci)化方(fang)向快(kuai)速重(zhong)構(gou)，磁(ci)化強(qiang)度較(jiao)傳統(tong)方(fang)法提升104%。該(gai)控(kong)制(zhi)策(ce)略(lve)在生物安(an)全溫(wen)度範(fan)圍（30-70℃）內即(ji)可(ke)完(wan)成(cheng)磁(ci)化重(zhong)構(gou)，避(bi)免生物體(ti)高溫(wen)灼(zhuo)傷。

其(qi)中(zhong)，相(xiang)變磁(ci)性(xing)軟(ruan)材(cai)料的(de)柔(rou)性(xing)諧(xie)振(zhen)電(dian)路組裝(zhuang)如(ru)圖(tu)2所示(shi)，首(shou)先(xian)將(jiang)電(dian)阻絲(si)纏(chan)繞(rao)在由摩方(fang)精密(mi)面(mian)投影微立體(ti)光(guang)刻(ke)（PμSL）技術(shu)（microArch^® S230，精(jing)度：2 μm）制(zhi)備的(de)3D打(da)印(yin)模(mo)具上(shang)。成型的(de)電(dian)阻絲(si)隨後被(bei)轉移(yi)至(zhi)貼有水溶(rong)性(xing)膠帶(dai)的(de)載(zai)玻片上(shang)。在(zai)電(dian)阻絲(si)周圍放(fang)置(zhi)模具(ju)形(xing)成腔(qiang)室(shi)，並(bing)向(xiang)其(qi)中(zhong)註(zhu)入(ru)相(xiang)變磁(ci)軟(ruan)材(cai)料，加(jia)熱固(gu)化。之(zhi)後(hou)，將組裝(zhuang)體(ti)浸(jin)入(ru)水中(zhong)溶(rong)解水溶(rong)性(xing)膠帶(dai)，使致動(dong)器(qi)從(cong)基底上釋放(fang)。模(mo)塑(su)第二(er)層相(xiang)變磁(ci)軟(ruan)材(cai)料，將(jiang)電(dian)阻絲(si)定(ding)位(wei)在致動(dong)器(qi)中(zhong)間。在致動(dong)器(qi)表面覆蓋壹層薄(bo)薄(bo)的(de)Ecoflex 00-10，以(yi)防止(zhi)低(di)熔(rong)點(dian)合金(jin)泄漏。最後將(jiang)電(dian)阻絲(si)焊(han)接(jie)到(dao)柔性(xing)諧(xie)振(zhen)電(dian)路上(shang)形成(cheng)閉(bi)合(he)回路。

圖(tu)1. 動(dong)態(tai)可重(zhong)編(bian)程的(de)磁(ci)性(xing)軟(ruan)體(ti)機器(qi)設(she)計。

圖(tu)2. 動(dong)態(tai)可重(zhong)編(bian)程的(de)磁(ci)性(xing)軟(ruan)體(ti)機器(qi)制(zhi)造(zao)流(liu)程。

研究團(tuan)隊提出的(de)動(dong)態(tai)重編(bian)程磁(ci)控軟(ruan)體(ti)機器(qi)在(zai)多(duo)場(chang)景(jing)應(ying)用中(zhong)展(zhan)現(xian)出顯(xian)著優勢，從(cong)單(dan)機多(duo)模(mo)態變形到多機選(xuan)擇(ze)性(xing)驅動(dong)與(yu)協(xie)作(zuo)，從(cong)靶向送(song)藥(yao)到生物實(shi)驗，實現了(le)多場(chang)景(jing)應(ying)用的(de)突破(po)。為(wei)了(le)展示(shi)其(qi)多模(mo)態(tai)變形的(de)能(neng)力(li)，研究團(tuan)隊開(kai)發了(le)壹種基(ji)於(yu)機械(xie)臂(bi)的(de)磁(ci)控系(xi)統(tong)和(he)小型(xing)化設(she)計的(de)輪(lun)式(shi)磁(ci)控機器(qi)人(ren)，在胃(wei)部環境中(zhong)，輪(lun)式(shi)機器(qi)人(ren)可通(tong)過動(dong)態(tai)磁(ci)化控(kong)制(zhi)實現(xian)多(duo)目(mu)標(biao)藥(yao)物釋放(fang)，精(jing)準(zhun)定(ding)位(wei)病(bing)竈區(qu)域，實現(xian)了(le)其(qi)在精(jing)準(zhun)醫(yi)療(liao)與(yu)靶向送(song)藥(yao)中(zhong)的(de)應(ying)用。此(ci)外，通過(guo)動(dong)態(tai)重編(bian)程策(ce)略(lve)，研究團(tuan)隊實現(xian)了(le)多機系(xi)統(tong)的(de)選(xuan)擇性(xing)驅動(dong)與(yu)協(xie)作(zuo)。在生物實(shi)驗遙操作(zuo)中(zhong)，微(wei)型(xing)化設(she)計機器(qi)人(ren)可分(fen)別攜帶(dai)不(bu)同(tong)試(shi)劑(ji)，在細(xi)胞(bao)培養場(chang)景(jing)中(zhong)實(shi)現(xian)選(xuan)擇性(xing)染色(se)，分(fen)別標記細胞(bao)骨(gu)架(jia)與(yu)細(xi)胞(bao)器(qi)。還(hai)通(tong)過機械(xie)連鎖(suo)機制(zhi)，使多個(ge)機器(qi)人(ren)間能(neng)夠動(dong)態(tai)組裝(zhuang)/解離(li)，形(xing)成(cheng)適(shi)應(ying)任務(wu)需(xu)求(qiu)的(de)復(fu)合結(jie)構(gou)（如(ru)跨越溝(gou)槽的(de)加(jia)長體(ti)），突破(po)單(dan)體(ti)尺寸限(xian)制，提升系(xi)統(tong)可擴展(zhan)性(xing)。

圖(tu)3. 動(dong)態(tai)可重(zhong)編(bian)程磁(ci)性(xing)軟(ruan)體(ti)機器(qi)的(de)多(duo)領域應(ying)用。