软机器人实时原位磁化重编程

磁性软体机器人凭借其可编程形状、可重构特性、安全交互和生物相容性等优势，在生物医学应用和工业任务等多个领域展现出广阔前景1-4。尽管近年来取得显著进展，但这类机器人仍面临实时原位磁化参数重构的难题——这种实时调整能力对于实现多功能集成或多样化任务至关重要5,6。我们开发了一种实时原位磁化重构技术，通过磁单元的重组与重组实现多样化的磁化配置。该技术在从一维管状结构到三维框架等不同维度的构型中均展现出卓越性能，不仅拓展了构型多样性，还实现了结构形变的多样化表现。该方法在多个应用场景中展现出强大的适应性：既能实现物体间无接触导航，又能重构纤毛阵列，还能在单一磁场下协同或独立操控多器械，甚至能灵活处理异形物体。这些突破性能力显著拓展了磁驱动技术的应用边界。此外，该方法使磁性软体机器人摆脱了对外部磁场的单一依赖来改变形状，促进了前所未有的变形模式和品种，同时减少了对复杂磁场生成系统的需求，从而为磁致动技术的发展开辟了道路。

文章创新点：

1. 核心技术：实现“实时原位磁化重构”，解决传统机器人无法在任务中实时、原位改变内部磁化参数的问题，开发出重组与重构磁单元技术，实现多样化磁化配置。

2. 性能表现：展现出卓越维度普适性与形变多样性，技术适用于从一维到三维的不同维度构型，通过改变磁化模式实现多样化结构形变。

3. 应用能力：实现多任务协同与复杂操作，展示强大适应性和突破性能力，包括无接触导航、动态重构纤毛阵列、协同或独立操控多个器械、灵巧处理异形物体。

4. 控制范式：摆脱对复杂外部磁场的单一依赖，机器人不再完全依赖外部磁场变化改变形状，同一个均匀或简单磁场可激发不同形变模式，减少对复杂磁场生成系统的需求，降低系统成本、能耗和控制难度。

5. 发展路径：为磁致动技术开辟新道路，将研究焦点部分转向设计能智能改变自身内部磁化的机器人，为开发更智能、自适应、易部署的软体机器人系统奠定基础。

总结：该研究赋予磁性软体机器人“实时重构自身磁化”核心能力，实现从“一机一能”到“一机多能”跨越，拓展功能和应用边界，革新控制范式，为实现简单控制实现复杂功能的目标铺平道路。

研究背景

软体机器人因可编程形态、高柔顺性和物理适应性，能安全高效与复杂环境互动，在医疗健康、工业生产、海洋勘探、搜救行动等场景潜力显著。其形态变化与功能实现依赖驱动组件，常见驱动方式有光、热、声波、磁场、流体、电场及肌腱 - 缆索机构等，其中磁驱动技术是其在狭小空间极具前景的驱动策略之一。磁驱动软体机器人形变源于外部磁场与固有磁化分布相互作用，在需执行多样化任务或实现多重功能场景中，实时原位重新编程磁化分布至关重要，但现有研究均未实现实时原位磁化重编程。受向日葵动态调整机制启发，我们提出一种实时原位磁化重编程方法，通过重新分配内部磁单元实现形变。

研究流程

方法

制备

· 普通软管：用浸涂成型法，将商用探针（ORION 公司，德国）固定作阳模，浸入 PDMS（道康宁公司 Sylgard 184，基胶与固化剂质量比 20:1）混合液，垂直放置 70°C 烘箱固化，重复涂覆固化得所需厚度软管。

· 含磁性单元软管：先制磁性软管，用模塑法，3D 打印（Formlabs 公司 Form 3B 打印机，Clear V4 材料）制阳模，等离子体处理提亲水性，硅烷化处理（三氯（1H,1H,2H,2H-全氟辛基）硅烷，97%，默克公司）便脱模；龙皮 10（Smooth-On 公司）基胶与固化剂 1:1 混合，阳模浸入，脱气 10 分钟，90°C 烘箱固化 1 小时得阴模，再处理；钕铁硼（NdFeB）微颗粒（MQP-15-7，麦格昆磁公司）与 PDMS（基胶与固化剂质量比 10:1）按需混合，注入含 3D 打印阳模的阴模，真空室脱气，90°C 烘箱固化 1 小时得磁性软管，1.8T 磁场（振动样品磁强计 VSM，MicroSense 公司 EZ7）均匀磁化；用 PDMS 连接磁性软管与普通软管，烘箱固化得含磁性单元软管。多层管结构用磁性软棒替代内部磁性软管，制法与磁性软管类似，模具类型不同。

· 一维磁化重编程构型 G 螺旋变形软管：浸涂成型法制磁性软管；PDMS 换为易可飞（ECOFLEX 0050，KauPo 公司）、NdFeB 微颗粒（MQP-15-7，麦格昆磁公司）和铂硅酮缓凝剂（SLO-JO/1，KauPo 公司）混合物（缓凝剂与易可飞质量比 3%，易可飞与微颗粒比例按需调），缠绕 12mm 圆柱固定，1.8T 磁场磁化得目标软管。配对磁性和非磁性棒制法与软棒、磁性软棒相同，磁性棒磁化磁场方向与螺旋变形软管相反。

· 二维磁化重编程多孔板：用带固定孔和方棒的 3D 打印模具，等离子体和硅烷表面处理；易可飞（ECOFLEX 0030，KauPo 公司）与铂硅酮缓凝剂（SLO-JO/1，KauPo 公司）混合（缓凝剂与易可飞质量比 3%），模具含混合物置真空室除气 10 分钟，烘箱固化 60 分钟得板。配对含磁性单元方棒制法与磁性软棒类似，模具换方形。

· 三维盒状软结构：多块多孔板连接，无孔板制法与多孔板相同，用无孔模具；两块无孔板和两块多孔板用易可飞粘接固化。一维、二维和三维样品制备（除含磁性颗粒样品）加红色颜料（SILC-PIG，KauPo 公司），含磁性颗粒样品因磁性材料黑色保持原色。

实验平台

· 磁驱动：用商用微小永磁体（预设磁化曲线）和嵌入磁性颗粒的软弹性材料（VSM 在 1.8T 磁场下磁化获所需磁化曲线）两种磁性单元，用 VSM 表征不同磁性颗粒比例混合材料磁特性。

· 外部磁场：用 VSM 产生均匀磁场，强度可调；部分实验用不同海尔贝克阵列产生均匀磁场，其装在直流电机轴上，旋转产生旋转磁场，调直流电机转速控旋转磁场频率。

· 拉伸试验：用万能测试系统（英斯特朗公司 5942）测定材料弹性模量，持续施加载荷至样品断裂，获位移和载荷数据计算弹性模量，还用于测不同曲率软管内棒拉力和摩擦力。

建模

· 伪刚体法：将软管表示为铰链连接的刚体杆，刚体杆不变形，铰链旋转，弹性势能储存在变形铰链中，细分刚体杆模拟软管变形，用能量法（最小势能原理）近似求解变形。

· 悬挂式放置：简化分析软管变形，软管受重力和磁场力，系统总势能由磁势能、弹性势能和重力势能组成，表达式为 V = Um + Ug + Ue。将软管建模为 n 根刚体杆通过 n - 1 个铰链连接结构（m 根磁性），推导磁势能、弹性势能和重力势能表达式，用 MATLAB（MathWorks 公司 R2022a）中 fmincon 函数求解势能方程，确定静态平衡构型，得杆间夹角θi。

· 参数衡量：选末端弯曲角和弯曲区域最小曲率半径衡量软管变形，基于θi 数据用 MATLAB 计算。二维薄板或三维物体变形分析用 ABAQUS 有限元模拟，与实验结果对比。

实验准备

· 圆柱避障物体模型：3D 打印（Formlabs 公司 Clear V4 材料），直径 12mm、高度 20mm，放平面形成模型，几何参数见补充图 34 和 35。

· 血管模型：3D 打印后派瑞林 C 表面处理（Specialty Coating Systems 公司 SCS PDS 2010 Labcoter），几何参数见补充图 37。

· 纤毛固定基板：亚克力材料，激光加工表面小孔阵列固定纤毛，纤毛顶端桨叶 3D 打印（Formlabs 公司 Clear V4 材料），几何参数见补充图 53。

· 组织模型：3D 打印，用弹性材料 Elastic 50A（Formlabs 公司）模拟组织柔软特性。

· 物体模型：3D 打印，材料为 Clear V4。

结果解析

实时原位磁化重编程方法示意图

无需接触即可导航物体的演示

可重编程纤毛阵列演示

协调多仪器操作演示

形状自适应抓握演示

研究结论

随着研究范围拓展，以下几点对推动技术实际应用很重要。其一，必要时关注软体机器人部件位置变化引发的刚度差异及对变形的影响，如一维磁化重编程构型B中运用磁反转特性时左右弯曲程度不一致，本研究给出建模方法与方案，仅在需精确变形控制时采用。其二，结合应用场景合理设计磁性单元形态与尺寸并权衡，其影响磁化曲线生成精度，尺寸越小精度越高，但制备与控制难度增加，如不同构型采用不同磁性单元均能满足场景需求。其三，实现复杂变形或需更多磁性单元载体和驱动器，增加驱动与控制系统复杂程度和成本，减少驱动器数量可采用更精密预编程构型，但会使设计与制备难度上升，需在磁化曲线复杂度与驱动器数量间寻求平衡。最后，在更小尺度应用该方法需考量对策，该方法在毫米级与亚毫米级可行性较高，进一步缩小尺寸面临部件制备困难、摩擦力增大、定位精度下降问题，如浸涂法制备软管直径缩小至1毫米以下不适用，需探索新工艺，摩擦力可通过提升加工精度与优化润滑条件改善，定位精度可借助精密定位控制系统实现，但尺寸越小控制系统越复杂，或可采用替代驱动方式突破局限，找到合适驱动方式仍需探索。

技术来源：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09459-0