西安交大唐敬達與華中科大鄧謙合作: 3D打印水凝膠制作的磁性軟體機器人

來源：高分子科技

磁場驅動的微型軟體機器人因其可編程變形和遠程遙控的快速驅動特性，在生物醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景。2018年，德國馬普所Metin Sitti和麻省理工學院趙選賀團隊分別獨立提出了基于硬磁軟材料的軟體機器人（Nature 554，Nature 558），引起了廣泛關注。然而，硬磁軟材料的研究尚處于初步階段，仍存在諸多挑戰(zhàn)：磁疇編輯困難，調控手段較少；力學結構失之簡單，限制了其變形能力。

近日，西安交通大學唐敬達副教授和華中科技大學鄧謙副教授研究團隊在Wiley旗下智能系統(tǒng)領域期刊Advanced Intelligent Systems發(fā)表題為“Magnetic Arthropod Millirobots Fabricated by 3D-Printed Hydrogels” 的文章。作者將3D打印與“模板輔助磁化”相結合，在保留復雜結構的同時，克服了原位磁疇編輯的困難。進一步為磁性軟機器設計了類似節(jié)肢動物“關節(jié)”的結構，實現(xiàn)了“關節(jié)”部位非均勻彎曲剛度的調控，使其可以在較小磁場的驅動下達到更佳的變形效果，以此設計了眾多變形結構。作者展示了在影像手段輔助下，利用磁場遙控水凝膠機器人從豬的不同器官中定位、抓取和移動外來異物，闡明了磁性軟機器作為微型手術機器人的應用前景。

1 磁性變形結構的設計、材料合成

圖1 節(jié)肢動物啟發(fā)的磁性軟體機器人的設計和制造

作者通過摻雜硬磁性顆粒（NdFeB）的3D打印磁性水凝膠制造磁性軟體機器人，硬磁顆�？蛇M行磁疇編輯，使材料在外加磁場下產生可編程復雜變形。仿生“關節(jié)”設計將軟機器中常見的彎曲變形（材料整體發(fā)生變形）轉化為折疊變形（主體圍繞關節(jié)轉動），使相同磁場下的變形角度增大，同時降低了能量消耗（圖1）。

圖2 含微球的硬磁性水凝膠的合成

材料合成詳見J. Mater. Chem. B, 2021, DOI: 10.1039/D1TB01694F（https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TB/D1TB01694F）。該硬磁性水凝膠添加了水凝膠微球，同時起到雙網絡增韌、增稠和3D打印的效果，確保了硬磁顆粒在水凝膠基體中的均勻分布及磁疇編輯（圖2）。

作者研究了磁性軟機器的基本力學結構（懸臂梁）在磁場下的變形行為（圖3），并通過實驗和數(shù)值仿真對比了彎曲和折疊兩種變形模式，發(fā)現(xiàn)同樣磁場下，折疊模式的變形角度更大，證明了關節(jié)設計的有效性，探究了折痕幾何參數(shù)的影響，為此后的機器人結構設計提供了理論依據(jù)。

圖3 磁性軟體機器人的基本結構單元變形研究

2 磁性軟體機器人的驅動變形和應用展示

圖4 含折痕的磁性變形結構

作者實現(xiàn)了多種磁性變形結構在磁場驅動下的快速、可重復變形驅動（圖4），并且用有限元仿真軟件預測了軟機器的變形。進一步設計制造了一種六臂機器人，具有多種不同的形態(tài)（平鋪、站立、收攏），可在磁場控制下于不同形態(tài)之間轉變（圖5），響應速度極快（1秒以內），該軟機器的大小和指甲蓋相當（~10mm）。

圖5 磁場驅動下具有多種運動模式的六臂軟體機器人

利用上述六臂機器人，作者展示了磁性軟機器的一項潛在應用（圖6）：預先將一件異物（鉛絲）放進動物的器官中（主動脈、胃和大腸），在內窺鏡影像的輔助下，六臂機器人先是由磁場遙控在器官中移動并且定位目標，隨后利用變形能力完成對目標物體的捕獲，最后在磁場的導航下攜帶物體前往指定地點。得益于硬磁性材料對外加磁場的快速響應，整個實驗過程可以在幾分鐘之內完成，而且磁性水凝膠具有較低的細胞毒性。

圖6 磁性軟機器人用于管腔中的異物抓取

論文共同第一作者是西安交通大學航天航空學院碩士研究生孫伯男和賈榮，通訊作者是西安交通大學唐敬達副教授和華中科技大學鄧謙副教授。 西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室為第一單位，上述研究得到了國家自然科學基金重點國際（地區(qū)）合作研究項目、科技部重點研發(fā)計劃政府間創(chuàng)新合作項目、面上項目、青年項目的資助。

論文鏈接：Bonan Sun, Rong Jia, Hang Yang, Xi Chen, Kai Tan, Qian Deng, Jingda Tang, Magnetic Arthropod Millirobots Fabricated by 3D-Printed Hydrogels. Advanced Intelligent Systems, 2021, 2100139.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202100139