中科大：新型動態(tài)重編程磁控軟體機(jī)器人

更新時間：2025-09-03

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近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院的李木軍副教授，張世武教授，聯(lián)合計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李向陽教授，提出了一種新型動態(tài)重編程磁控軟體機(jī)器人。通過可感知磁諧振結(jié)合相變軟材料設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了單個或多個磁軟體機(jī)器人的原位重編程，并演示了其在復(fù)雜任務(wù)、多機(jī)協(xié)作和原位組裝等多方面的應(yīng)用。成果以“Addressable and perceptible dynamic reprogram of ferromagnetic soft machines"為題發(fā)表在國際期刊《Nature Communications》上。

磁控軟體機(jī)器人因其無線可控性、多功能性和生物安全性，在生物醫(yī)學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)磁性軟體機(jī)器人依賴固定磁化模式，其功能與適應(yīng)性受限于單一預(yù)設(shè)形態(tài)，同時由于全局磁場的存在，如何實(shí)現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)間選擇性驅(qū)動和共同協(xié)作也一直是磁控軟體機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵問題。針對上述問題，研究團(tuán)隊提出了一種多磁場協(xié)同作用的控制策略。通過柔性諧振電路設(shè)計，利用高頻磁場（50-400 kHz）選擇性加熱機(jī)器人特定區(qū)域，可實(shí)時感知能量傳輸狀態(tài)。同時，采用低溫相變磁性復(fù)合材料，并利用脈沖磁場打破磁顆粒間作用力，在40 mT低編程磁場下即可通過固-液相變實(shí)現(xiàn)磁化方向快速重構(gòu)，磁化強(qiáng)度較傳統(tǒng)方法提升104%。該控制策略在生物安全溫度范圍（30-70℃）內(nèi)即可完成磁化重構(gòu)，避免生物體高溫灼傷。

其中，相變磁性軟材料的柔性諧振電路組裝如圖2所示，首先將電阻絲纏繞在由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch^® S230，精度：2 μm）制備的3D打印模具上。成型的電阻絲隨后被轉(zhuǎn)移至貼有水溶性膠帶的載玻片上。在電阻絲周圍放置模具形成腔室，并向其中注入相變磁軟材料，加熱固化。之后，將組裝體浸入水中溶解水溶性膠帶，使致動器從基底上釋放。模塑第二層相變磁軟材料，將電阻絲定位在致動器中間。在致動器表面覆蓋一層薄薄的Ecoflex 00-10，以防止低熔點(diǎn)合金泄漏。最后將電阻絲焊接到柔性諧振電路上形成閉合回路。

圖1. 動態(tài)可重編程的磁性軟體機(jī)器設(shè)計。

圖2. 動態(tài)可重編程的磁性軟體機(jī)器制造流程。

研究團(tuán)隊提出的動態(tài)重編程磁控軟體機(jī)器在多場景應(yīng)用中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，從單機(jī)多模態(tài)變形到多機(jī)選擇性驅(qū)動與協(xié)作，從靶向送藥到生物實(shí)驗，實(shí)現(xiàn)了多場景應(yīng)用的突破。為了展示其多模態(tài)變形的能力，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于機(jī)械臂的磁控系統(tǒng)和小型化設(shè)計的輪式磁控機(jī)器人，在胃部環(huán)境中，輪式機(jī)器人可通過動態(tài)磁化控制實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)藥物釋放，精準(zhǔn)定位病灶區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了其在精準(zhǔn)醫(yī)療與靶向送藥中的應(yīng)用。此外，通過動態(tài)重編程策略，研究團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)了多機(jī)系統(tǒng)的選擇性驅(qū)動與協(xié)作。在生物實(shí)驗遙操作中，微型化設(shè)計機(jī)器人可分別攜帶不同試劑，在細(xì)胞培養(yǎng)場景中實(shí)現(xiàn)選擇性染色，分別標(biāo)記細(xì)胞骨架與細(xì)胞器。還通過機(jī)械連鎖機(jī)制，使多個機(jī)器人間能夠動態(tài)組裝/解離，形成適應(yīng)任務(wù)需求的復(fù)合結(jié)構(gòu)（如跨越溝槽的加長體），突破單體尺寸限制，提升系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

圖3. 動態(tài)可重編程磁性軟體機(jī)器的多領(lǐng)域應(yīng)用。