中科大：新型動態(tài)重編程磁控軟體機器人

更新時間：2025-09-03

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近期，中國科學技術大學工程科學學院、人形機器人研究院的李木軍副教授，張世武教授，聯(lián)合計算機科學與技術學院李向陽教授，提出了一種新型動態(tài)重編程磁控軟體機器人。通過可感知磁諧振結(jié)合相變軟材料設計，實現(xiàn)了單個或多個磁軟體機器人的原位重編程，并演示了其在復雜任務、多機協(xié)作和原位組裝等多方面的應用。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)學中得到廣泛應用。但傳統(tǒng)磁性軟體機器人依賴固定磁化模式，其功能與適應性受限于單一預設形態(tài)，同時由于全局磁場的存在，如何實現(xiàn)多機系統(tǒng)間選擇性驅(qū)動和共同協(xié)作也一直是磁控軟體機器人應用的關鍵問題。針對上述問題，研究團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計，利用高頻磁場（50-400 kHz）選擇性加熱機器人特定區(qū)域，可實時感知能量傳輸狀態(tài)。同時，采用低溫相變磁性復合材料，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-液相變實現(xiàn)磁化方向快速重構(gòu)，磁化強度較傳統(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（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器設計。

圖2. 動態(tài)可重編程的磁性軟體機器制造流程。

研究團隊提出的動態(tài)重編程磁控軟體機器在多場景應用中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，從單機多模態(tài)變形到多機選擇性驅(qū)動與協(xié)作，從靶向送藥到生物實驗，實現(xiàn)了多場景應用的突破。為了展示其多模態(tài)變形的能力，研究團隊開發(fā)了一種基于機械臂的磁控系統(tǒng)和小型化設計的輪式磁控機器人，在胃部環(huán)境中，輪式機器人可通過動態(tài)磁化控制實現(xiàn)多目標藥物釋放，精準定位病灶區(qū)域，實現(xiàn)了其在精準醫(yī)療與靶向送藥中的應用。此外，通過動態(tài)重編程策略，研究團隊實現(xiàn)了多機系統(tǒng)的選擇性驅(qū)動與協(xié)作。在生物實驗遙操作中，微型化設計機器人可分別攜帶不同試劑，在細胞培養(yǎng)場景中實現(xiàn)選擇性染色，分別標記細胞骨架與細胞器。還通過機械連鎖機制，使多個機器人間能夠動態(tài)組裝/解離，形成適應任務需求的復合結(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)可擴展性。

圖3. 動態(tài)可重編程磁性軟體機器的多領域應用。

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中科大：新型動態(tài)重編程磁控軟體機器人