西安交大唐敬達(dá)與華中科大鄧謙合作: 3D打印水凝膠制作的磁性軟體機(jī)器人

來(lái)源：高分子科技

磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型軟體機(jī)器人因其可編程變形和遠(yuǎn)程遙控的快速驅(qū)動(dòng)特性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2018年，德國(guó)馬普所Metin Sitti和麻省理工學(xué)院趙選賀團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立提出了基于硬磁軟材料的軟體機(jī)器人（Nature 554，Nature 558），引起了廣泛關(guān)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(diào)控手段較少；力學(xué)結(jié)構(gòu)失之簡(jiǎn)單，限制了其變形能力。

近日，西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授和華中科技大學(xué)鄧謙副教授研究團(tuán)隊(duì)在Wiley旗下智能系統(tǒng)領(lǐng)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(jié)合，在保留復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，克服了原位磁疇編輯的困難。進(jìn)一步為磁性軟機(jī)器設(shè)計(jì)了類(lèi)似節(jié)肢動(dòng)物“關(guān)節(jié)”的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“關(guān)節(jié)”部位非均勻彎曲剛度的調(diào)控，使其可以在較小磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下達(dá)到更佳的變形效果，以此設(shè)計(jì)了眾多變形結(jié)構(gòu)。作者展示了在影像手段輔助下，利用磁場(chǎng)遙控水凝膠機(jī)器人從豬的不同器官中定位、抓取和移動(dòng)外來(lái)異物，闡明了磁性軟機(jī)器作為微型手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用前景。

1 磁性變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料合成

圖1 節(jié)肢動(dòng)物啟發(fā)的磁性軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造

作者通過(guò)摻雜硬磁性顆粒（NdFeB）的3D打印磁性水凝膠制造磁性軟體機(jī)器人，硬磁顆�？蛇M(jìn)行磁疇編輯，使材料在外加磁場(chǎng)下產(chǎn)生可編程復(fù)雜變形。仿生“關(guān)節(jié)”設(shè)計(jì)將軟機(jī)器中常見(jiàn)的彎曲變形（材料整體發(fā)生變形）轉(zhuǎn)化為折疊變形（主體圍繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)），使相同磁場(chǎng)下的變形角度增大，同時(shí)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(jiàn)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(shí)起到雙網(wǎng)絡(luò)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(jī)器的基本力學(xué)結(jié)構(gòu)（懸臂梁）在磁場(chǎng)下的變形行為（圖3），并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真對(duì)比了彎曲和折疊兩種變形模式，發(fā)現(xiàn)同樣磁場(chǎng)下，折疊模式的變形角度更大，證明了關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的有效性，探究了折痕幾何參數(shù)的影響，為此后的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

圖3 磁性軟體機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)單元變形研究

2 磁性軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)變形和應(yīng)用展示

圖4 含折痕的磁性變形結(jié)構(gòu)

作者實(shí)現(xiàn)了多種磁性變形結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的快速、可重復(fù)變形驅(qū)動(dòng)（圖4），并且用有限元仿真軟件預(yù)測(cè)了軟機(jī)器的變形。進(jìn)一步設(shè)計(jì)制造了一種六臂機(jī)器人，具有多種不同的形態(tài)（平鋪、站立、收攏），可在磁場(chǎng)控制下于不同形態(tài)之間轉(zhuǎn)變（圖5），響應(yīng)速度極快（1秒以?xún)?nèi)），該軟機(jī)器的大小和指甲蓋相當(dāng)（~10mm）。

圖5 磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下具有多種運(yùn)動(dòng)模式的六臂軟體機(jī)器人

利用上述六臂機(jī)器人，作者展示了磁性軟機(jī)器的一項(xiàng)潛在應(yīng)用（圖6）：預(yù)先將一件異物（鉛絲）放進(jìn)動(dòng)物的器官中（主動(dòng)脈、胃和大腸），在內(nèi)窺鏡影像的輔助下，六臂機(jī)器人先是由磁場(chǎng)遙控在器官中移動(dòng)并且定位目標(biāo)，隨后利用變形能力完成對(duì)目標(biāo)物體的捕獲，最后在磁場(chǎng)的導(dǎo)航下攜帶物體前往指定地點(diǎn)。得益于硬磁性材料對(duì)外加磁場(chǎng)的快速響應(yīng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以在幾分鐘之內(nèi)完成，而且磁性水凝膠具有較低的細(xì)胞毒性。

圖6 磁性軟機(jī)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(xué)航天航空學(xué)院碩士研究生孫伯男和賈榮，通訊作者是西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授和華中科技大學(xué)鄧謙副教授。 西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位，上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國(guó)際（地區(qū)）合作研究項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間創(chuàng)新合作項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)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