中科大：新型動態重編程磁控軟體機器人

更新時間：2025-09-03

點擊次數：94

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重編程磁控軟體機器人。通過可感知磁諧振結合相變軟材料設計，實現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，在生物醫學中得到廣泛應用。但傳統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，同時由于全局磁場的存在，如何實現多機系統間選擇性驅動和共同協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域，可實時感知能量傳輸狀態。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-液相變實現磁化方向快速重構，磁化強度較傳統方法提升104%。該控制策略在生物安全溫度范圍（30-70℃）內即可完成磁化重構，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. 動態可重編程的磁性軟體機器設計。

圖2. 動態可重編程的磁性軟體機器制造流程。

研究團隊提出的動態重編程磁控軟體機器在多場景應用中展現出顯著優勢，從單機多模態變形到多機選擇性驅動與協作，從靶向送藥到生物實驗，實現了多場景應用的突破。為了展示其多模態變形的能力，研究團隊開發了一種基于機械臂的磁控系統和小型化設計的輪式磁控機器人，在胃部環境中，輪式機器人可通過動態磁化控制實現多目標藥物釋放，精準定位病灶區域，實現了其在精準醫療與靶向送藥中的應用。此外，通過動態重編程策略，研究團隊實現了多機系統的選擇性驅動與協作。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，在細胞培養場景中實現選擇性染色，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組裝/解離，形成適應任務需求的復合結構（如跨越溝槽的加長體），突破單體尺寸限制，提升系統可擴展性。

圖3. 動態可重編程磁性軟體機器的多領域應用。