科研人員研發出可快速製造微型機器人的膠質磁性噴霧

近日，中國科學院深圳先進技術研究院深圳先進集成技術研究所智能仿生研究中心研究員吳新宇研究團隊與香港城市大學副教授申亞京團隊合作，提出一種通用、可擴展、能應對不同場景的微型機器人製造方式——利用膠質磁性噴霧使無生命目標物體成為可控微型外骨骼。

微型機器人由於具有良好的可控性和適應性而在生物醫學中有著廣泛應用前景。然而，考慮到目標對象多變的尺寸和形狀，以及工作環境的非結構化和不可預測，單一機器人難以應對不同的任務或環境。可擴展、通用、能應對不同場景的微型機器人製造方法仍存在挑戰。

在自然界，很多生物本身沒有較好的運動能力，但是它們可以通過寄生或吸附的方法利用其他生物或物體到達自身難以企及的地方，比如，有一種彩蚴吸蟲能夠感染蝸牛並控制蝸牛違背原來的生活習性爬到高處。受此演化啟發，研究團隊研發出一種由聚乙烯醇（PVA）、谷蛋白（Gluten）和鐵粉（Iron particles）混合而成的膠質磁性噴霧，通過對目標物體表面噴塗的方式，給它穿上一層磁性外衣（約100-200um厚度），將無生命物體變成可以磁驅的微型機器人智能體。該種磁性噴霧在固化前表現出良好的自粘性，能夠粘附親水和疏水的表面，在磁性噴霧固化後其自粘性會隨之消失，即在對物體表面貼合的同時，對外界環境不表現出粘性。這一特徵保證了外界環境不會對物體的運動造成不良影響。

這種利用物體本身結構實現運動的方法具有較強的適應性。研究人員從理論分析和有限元模擬等角度入手，闡明該類噴霧磁化方法的微型機器人通用運動學和動力學模型。理論分析顯示，在磁力矩和磁拉力作用下，不同的微型機器人會依靠其本身獨有的結構和形態產生相應的變形以及步態。為進一步驗證該策略的可行性，研究團隊使用磁性噴霧將棉線、摺紙、PDMS薄膜和塑料管等各種不同材料和形狀的常見物體轉化為磁驅機器人，並在磁場驅動下實現爬行、行走、滾動和遊動等運動形式，與理論分析一致。除具備良好運動能力外，覆蓋在物體表面的磁性噴霧還具有可控離解、可重編程等特點，為其在生物醫學領域的應用提供可能，如主動送藥、可控內窺探頭等。

將無生命的物體按需轉化為可移動的微型機器人的策略，為在不可預知的有限空間進行操作、運輸和交付提供潛力。吳新宇表示，這種「寄生」的方式，給仿生機器人的設計提供新思路，希望能夠利用該策略，拓展現有的結構仿生，將來能夠設計出具有運動能力的傳感器、微外骨骼等。相關研究成果以An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications為題，發表在Science Robotics上。深圳先進院副研究員尚萬峰和香港城市大學博士生楊雄為論文共同第一作者，吳新宇和申亞京為論文共同通訊作者，其他作者包括香港城市大學博士陸豪健、劉雁婷、楊柳和譚蓉。

圖1.磁性噴霧將無生命物體轉變為磁控微型機器人的過程

圖2.磁性噴霧將不同材料和形狀的目標物體變為磁控微型機器人

圖3.覆蓋在目標物體表面的磁性噴霧在振蕩磁場下解體

來源：中國科學院深圳先進技術研究院