近日，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。通過可感知磁諧振結合相變軟材料設計，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)表在國際知名期刊《自然通訊》(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，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，避免生物體高溫灼傷。
圖1.動態(tài)可重編程的磁性軟體機器設計
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構（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2.動態(tài)可重編程磁性軟體機器的多領域應用
中國科學技術大學精密機械與精密儀器系博士后孫宇軒、博士生孫博熙和計算機科學與技術學院博士生崔翔為論文共同第一作者。李木軍副教授、張世武教授、李向陽教授為共同通訊作者。澳大利亞伍倫貢大學李衛(wèi)華教授，中國科學技術大學生命科學與醫(yī)學部、第一附屬醫(yī)院何立教授為論文共同作者。該研究得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、安徽省自然科學基金、中國科學技術大學雙一流計劃研究基金支持。部分實驗獲得了中國科學技術大學微納研究與制造中心、中國科學技術大學理化科學實驗中心等平臺支持。
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