质量仅41mg的磁驱动多模式软体机器人，有望应用于胃部检查和治疗

大数据文摘

发布于 2023-04-10 16:56:09

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发布于 2023-04-10 16:56:09

本文授权转载自机器人大讲堂

“金鱼会排队？”不知大家是否记得在多年前央视春晚的一个节目里，青年魔术师傅琰东表演的魔术《年年有鱼》让观众大开眼界，4条黑金鱼和2条红金鱼在鱼缸中自由地游来游去。随着魔术师一声口令，6条金鱼整齐地排队形、齐步走、转弯、解散，如同操练过的士兵一般。

综合网上各种揭秘说法，其中有一种呼声很高：鱼体内有铁块，魔术师是通过控制水下的磁铁来指挥鱼的运动。因此有些网友认为魔术师“虐鱼”，并对他进行了一番口诛笔伐。

用磁铁控制的金鱼

这里当然不是要讨论这个魔术，而是讨论一种现象：利用磁场来控制运动。这种控制方式目前已经广泛应用于软体机器人领域当中，而这类机器人被称为磁控机器人。相比于有线机器人，由于磁场对生物细胞和组织无害，因此磁控机器人可以应用于生物医学应用领域当中。

▍质量仅有41mg的毫米级四足软体微型机器人

最近，来自中科院深圳先进技术研究院的研究团队提出了一种可以实现多种运动模式的软体磁驱机器人。他们通过控制外部磁场的参数实现了机器人的移动、抓取和运输微小型物体，该机器人有望应用于胃病的检查和靶向药物释放治疗当中。

软体机器人在尾部进行行走和检查示意图

受自然界中四足动物的启发，研究人员设计了一种新型的磁驱四足软体机器人，它由四个“磁腿”和一个非磁性薄膜主体组成，整体由高精度的3D打印和铸造的工艺进行制备，结构和制造的过程看起来并不是很复杂。

磁驱四足软体机器人的制备

这样的机器人性能如何？据研究人员介绍，通过使用不同的驱动磁场，机器人可以实现多种运动模式，例如爬行运动和滚动运动。通过将旋转磁场和恒定强度的磁场进行叠加，会产生圆锥形磁场，而机器人在圆锥磁场下可以交替移动双腿实现在平面上爬行，就像自然界中的四足动物一样。

机器人在磁场中的两种运动模式：(a)-(b) 当施加锥形磁场时，机器人可以在表面爬行；(c)-(d)当施加旋转磁场时，机器人可以在表面滚动

自然界中猫的行走步态

机器人在磁场中行走步态

▍在磁场作用下扮演“快递小哥”

此外，研究人员通过使用锥形磁场，可以操控机器人对“货物”进行运输和释放，那么这个“快递小哥”的业务能力如何？

改变磁场的锥角可以控制机器人的抓取和释放

为了研究这点，研究人员搭建了实验系统，并且把机器人放在与人体胃液环境粘度相当的硅油中进行实验。在施加不同大小的磁场时，测量了机器人磁腿的变形角度，实验结果表明机器人腿的变形角度随着磁场大小的增加而增加，机器人最大移动速度可达3.9 mm/s。

实验测试装置示意图

机器人的移动能力实验测试结果

实验表明，机器人不单可以往前走，还可以灵活地转向，从而可以“循迹”，也就是按照所设定的S形和方形的轨迹进行移动，而这一切都归功于研究人员对磁场参数进行精准控制。

这个机器人不光可以在平地上实现移动，而且可以上下楼，可以跨三级台阶，每级台阶高度为1 mm，可以在充满凹槽的胃模型底部移动。

这时候多种运动模式能力的优点就发挥出来了，机器人可以跨过一些约2.2 mm高障碍物，而大于这个高度的障碍，机器人则使用自己的滚动形态实现越障~

机器人在复杂环境中的移动

机器人攀爬多级台阶

机器人在褶皱的胃模型表面运动

在证明机器人具有出色的越障能力后，研究人员通过操控机器人实现对小珠的抓取实验。每个小珠的直径仅为6 毫米，质量为127.3 毫克，而机器人本身的重量为41.1毫克。通过外加磁场，机器人可以抓取和运输重量达自身三倍的物体。

机器人抓取、运输和释放目标的示意图

机器人抓取、运输和释放目标物体

▍有望应用于胃部的检查和治疗

此前，软体机器人应用于医疗领域的潜力已经被大家所了解，如下面的软体机器人可以用于去除血栓。但是它属于有线机器人，也就是说机器人需要通过额外的导线来传输动力，这些导线就像牵绊，不止对机器人的运动性能有一定影响，也一定程度上限制了机器人的应用。

本文提出的这款无线磁控软体机器人，具有爬行和滚动等多种运动模式，具有强大的移动能力、越障能力和目标运送能力。研究人员称未来将对机器人的设计进行优化，以实现它更高效的运动能力和抓取能力，并且应用在人体的胃部检查和治疗当中。该论文以Multimodal Locomotion and Cargo Transportation of Magnetically Actuated Quadruped Soft Microrobots为题目发表在中国科技期刊卓越行动高起点新刊Cyborg and Bionic System（类生命系统）上。