【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院的李木軍副教授，張世武教授，聯(lián)合計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李向陽(yáng)教授，提出了一種新型動(dòng)態(tài)重編程磁控軟體機(jī)器。通過(guò)可感知磁諧振結(jié)合相變軟材料設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)或多個(gè)磁軟體機(jī)器人的原位重編程，并演示了其在復(fù)雜任務(wù)、多機(jī)協(xié)作和原位組裝等多方面的應(yīng)用。成果以“Addressable and perceptible dynamic reprogram of ferromagnetic soft machines”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然通訊》(Nature Communications)上。
 

　　磁控軟體機(jī)器人因其無(wú)線可控性、多功能性和生物安全性，在生物醫(yī)學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)磁性軟體機(jī)器人依賴固定磁化模式，其功能與適應(yīng)性受限于單一預(yù)設(shè)形態(tài)，同時(shí)由于全局磁場(chǎng)的存在，如何實(shí)現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)間選擇性驅(qū)動(dòng)和共同協(xié)作也一直是磁控軟體機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種多磁場(chǎng)協(xié)同作用的控制策略。通過(guò)柔性諧振電路設(shè)計(jì)，利用高頻磁場(chǎng)(50-400 kHz)選擇性加熱機(jī)器人特定區(qū)域，可實(shí)時(shí)感知能量傳輸狀態(tài)。同時(shí)，采用低溫相變磁性復(fù)合材料，并利用脈沖磁場(chǎng)打破磁顆粒間作用力，在40 mT低編程磁場(chǎng)下即可通過(guò)固-液相變實(shí)現(xiàn)磁化方向快速重構(gòu)，磁化強(qiáng)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。
 

圖1. 動(dòng)態(tài)可重編程的磁性軟體機(jī)器設(shè)計(jì)
 

　　研究團(tuán)隊(duì)提出的動(dòng)態(tài)重編程磁控軟體機(jī)器在多場(chǎng)景應(yīng)用中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，從單機(jī)多模態(tài)變形到多機(jī)選擇性驅(qū)動(dòng)與協(xié)作，從靶向送藥到生物實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多場(chǎng)景應(yīng)用的突破。為了展示其多模態(tài)變形的能力，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于機(jī)械臂的磁控系統(tǒng)和小型化設(shè)計(jì)的輪式磁控機(jī)器人，在胃部環(huán)境中，輪式機(jī)器人可通過(guò)動(dòng)態(tài)磁化控制實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)藥物釋放，精準(zhǔn)定位病灶區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了其在精準(zhǔn)醫(yī)療與靶向送藥中的應(yīng)用。此外，通過(guò)動(dòng)態(tài)重編程策略，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了多機(jī)系統(tǒng)的選擇性驅(qū)動(dòng)與協(xié)作。在生物實(shí)驗(yàn)遙操作中，微型化設(shè)計(jì)機(jī)器人可分別攜帶不同試劑，在細(xì)胞培養(yǎng)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)選擇性染色，分別標(biāo)記細(xì)胞骨架與細(xì)胞器。還通過(guò)機(jī)械連鎖機(jī)制，使多個(gè)機(jī)器人間能夠動(dòng)態(tài)組裝/解離，形成適應(yīng)任務(wù)需求的復(fù)合結(jié)構(gòu)(如跨越溝槽的加長(zhǎng)體)，突破單體尺寸限制，提升系統(tǒng)可擴(kuò)展性。
 

圖2. 動(dòng)態(tài)可重編程磁性軟體機(jī)器的多領(lǐng)域應(yīng)用
 

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系博士后孫宇軒、博士生孫博熙和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(yáng)教授為共同通訊作者。澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)雙一流計(jì)劃研究基金支持。部分實(shí)驗(yàn)獲得了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心等平臺(tái)支持。