香港中文大学张立教授团队《Sci. Adv.》：可编程的多功能磁控软体机器人- 大数跨境

两江科技评论

2022-06-25

导读：香港中文大学机械与自动化工程学系张立教授团队，与香港城市大学生物医学工程学系张甲晨教授团队和卡耐基梅隆大学机械工程系Carmel Majidi教授团队合作，成功开发出模块组装的策略，用于可编程磁控多功

区别于传统的具有机械结构的刚性机器人，软体机器人以其灵巧的结构变化的优势被成功地应用于易碎货物抓取、生物仿生学智能电子、和体内药物精准递送等领域。机器人的特殊功能实现往往取决于其灵巧的结构变化。对于磁控软体机器人，其变形主要由其磁化形式决定，因此实现可编程磁化能够提高机器人的变形多样性。目前报道的磁控软体机器人由于磁化形式的约束，其变形多为弯折变形，而具有多个曲面变形结构的磁控软体机器人鲜有报道，这也是目前研究的一大难点。同时，实现机器人的多功能性，比如环境感知，定位等能够进一步增强其作用效果以及扩展其应用领域。而多种材料的无缝整合可以实现这一目的，这也是目前小尺度软体机器人研究的热点。

鉴于以上磁控软体机器人存在的问题，香港中文大学机械与自动化工程学系张立教授团队，与香港城市大学生物医学工程学系张甲晨教授团队和卡耐基梅隆大学机械工程系Carmel Majidi教授团队合作，成功开发出模块组装的策略，用于可编程磁控多功能软体机器人的研究及其应用。该策略可实现机器人多样的结构变化，也可实现具有不同材料性质的多功能模块的组装，旨在提高小尺度软体机器人的多功能性和应用前景。研究成果以“Untethered small-scale magnetic soft robot with programmable magnetization and integrated multifunctional modules”为题刊登于国际学术期刊《Science Advances》。论文第一作者为香港中文大学博士后董悦博士。

如图1所示，该研究利用双面胶带上不干胶优异的粘附性能，首先实现了钕铁硼颗粒组成的磁化模块（连续磁化和非连续磁化）在软体机器人平面结构的特定部位的组装，之后通过机械切割去除多余的双面胶带就得到了软体机器人。在磁场刺激下，软体机器人表现出了灵巧的结构变化。在软体机器人上未被磁化模块占有的位置，仍然具有不干胶的粘性，这样其它功能模块（温度感应模块，紫外感应模块，pH响应模块，吸油模块，定位模块和导电模块）就可以在不干胶的作用下实现无缝整合。组装的多功能软体机器人在环境感知与监测、电路修复和胃溃疡治疗等领域具有潜在的应用前景。

图 1，多功能磁控软体机器人的制备示意图

图2展示了具有连续磁化和非连续磁化模块组装的可编程磁控软体机器人的结构变化。通过剪纸艺术和仿生结构，设计出了多种平面结构的软体机器人。在磁场刺激下，这些机器人实现了从二维到三维的快速结构变化，变形结构接近于模拟结果。可以看到，连续磁化模块组装的软体机器人具有弯折的结构变化，而非连续磁化模块组装的软体机器人的结构变化具有多个曲面变形。这证明了该策略在机器人结构变化方面具有极强的可设计性。利用双面胶自身的粘性，也实现了具有三维结构的磁控软体机器人的设计与变形结果探究。

图2通过课题组自主研发的组装技术得到的磁控软体机器人能够实现多样性结构变化（白色标尺：1 cm）

他们以多足机器人为例，实现了多个功能模块（温度感应模块，紫外感应模块，pH响应模块，吸油模块，定位模块和导电模块）的组装（图3A）。得到的多功能软体机器人能够实现在干燥平面上的可控运动，并且能够对环境中的紫外光和温度进行感应（图3B-C），可以通过模块颜色改变来进行识别。该机器人也能够实现水面上的可控运动和对指定区域水中的pH的检测（图3D（1））。同时，该机器人也能够潜入水下在水下运动，并实现水下油污的去除（图3D（2）），作用完之后也能浮出水面（图3D（3））。利用定位模块和导电模块以及机器人的可控运动，也实现了不透明通道中断路电路的连接。得益于模块组装技术，对于损坏或者作用效果变差的模块能够进行替换，以提高机器人的循环使用寿命（图3E）。

图3多功能磁控软体机器人的模块组装及其应用

利用软体机器人灵巧的结构变化，他们组装的另一机器人实现了具有胃溃疡治疗效果的贴片在猪胃中溃疡处的精准贴敷。在内窥镜观察和磁场控制下，利用该机器人具有的五种基本的结构变化，实现了卷曲、滚动、伸展、爬行、翻身和滑行等多模态运动，突破胃粘液和胃褶皱的影响，以最大程度地保护治疗贴片并精准地贴敷于胃溃疡上（图4）。

图4机器人辅助的胃溃疡治疗贴片贴敷

这项研究得到香港研究资助局（RGC）、香港创新科技署（ITC）、周玉浩创新医学技术中心、中大天石机器人研究所、中大信兴高等工程研究所、中大-中国科学院深圳先进技术研究院机器人与智能系统联合实验室、创新香港研发平台（InnoHK）的医疗机器人创新技术中心（MRC）的支持。

近五年来，张立教授课题组在磁驱动小型机器人领域发表了超过一百篇学术论文，实现了从毫米、微米到纳米机器人及其集群行为的研究与应用。部分成果如下：Nature Machine Intelligence, 2022, 4(5): 480-493.；Matter, 2022, 5(1): 77-109.; Adv. Mater., 2022: 2201888.; Adv. Mater. 2022, 2109126; Adv. Funct. Mater., 2022: 2112508.; Sci. Robot., 2021, 6(52): eabd2813.; Sci. Adv., 2021, 7(9): eabe5914.; Adv. Mater., 2021, 33(37): 2100070.; ACS Nano, 2021, 15(3): 5056-5067.; Nat Commun 10, 5631 (2019); Sci. Adv., 2019, 5(1): eaau9650.; Nat Commun 9, 3260 (2018).

研究论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8932

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