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Science子刊發(fā)布實(shí)現(xiàn)可編程磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人

導(dǎo)讀通過(guò)控制外部磁場(chǎng)，可以對(duì)磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人（或軟結(jié)構(gòu)）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的驅(qū)動(dòng)控制。磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人有著很高的研究和實(shí)用價(jià)值，例如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的體內(nèi)藥物運(yùn)送機(jī)器人，以及研發(fā)智能可穿戴領(lǐng)域等。近年磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人得到很多知名高校和國(guó)際著名期刊的青睞。當(dāng)下的磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人內(nèi)部的磁場(chǎng)分布都是按照預(yù)先設(shè)定好的模式設(shè)計(jì)制造，一旦完成，其內(nèi)部磁場(chǎng)的分布就確定了，因此難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于單個(gè)機(jī)器人磁場(chǎng)分布的可重復(fù)性“編程” 。近日，國(guó)際頂級(jí)期刊，science子刊《科學(xué)進(jìn)展（scienceadvance）》刊登了一篇關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)可重復(fù)編程的磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人/結(jié)構(gòu)的文章，題目為“可重復(fù)編程的變形磁性軟機(jī)器“，提出了一種對(duì)磁性軟機(jī)器人內(nèi)部磁場(chǎng)重塑的方法：通過(guò)將嵌在軟結(jié)構(gòu)中的永磁鐵微粒進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度超過(guò)“居里點(diǎn)”后，在材料冷卻過(guò)程中施加一個(gè)外部強(qiáng)磁場(chǎng)就可以改變材料內(nèi)部磁場(chǎng)分布。該研究項(xiàng)目由來(lái)自德國(guó)的“馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所”，美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，土耳其的科克大學(xué)以及瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工共同完成。論文中指出，這種方式的編程的磁場(chǎng)分辨率可以達(dá)到38微米，編程產(chǎn)出速率最快可達(dá)每分鐘10個(gè)樣本。 1. 可重復(fù)“編程”的磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人近年來(lái)軟體機(jī)器人領(lǐng)域興起，出現(xiàn)了基于各種不同的物理化學(xué)原理驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人。其中有一類借助于外界磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人，即磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人/軟結(jié)構(gòu)。這類機(jī)器人驅(qū)動(dòng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，將具有磁性的顆粒物融合到彈性聚合物中（例如硅膠），使顆粒物的磁場(chǎng)按照一定的規(guī)律分布，就得到了一個(gè)磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人，這個(gè)過(guò)程需要對(duì)顆粒物磁場(chǎng)分布進(jìn)行“編程”，從而滿足特定的場(chǎng)景需求。當(dāng)對(duì)磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人施加一個(gè)外部磁場(chǎng)時(shí)，通過(guò)控制磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向，就可以控制軟機(jī)器人按照預(yù)先“編程”好的方式變形，從而完成任務(wù)。磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人的最大特點(diǎn)就是，它實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)接觸式的軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)，只要有合適的外加磁場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于這類機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和控制，并且無(wú)需擔(dān)心障礙物的阻隔。圖2. 一些典型的微型磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人頗受一些國(guó)際頂級(jí)期刊青睞，包括《自然（nature）》和《自然通訊（naturecommunication）》和《科學(xué)-機(jī)器人學(xué)（sciencerobotics）》上都多次刊出磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人/軟機(jī)器人的相關(guān)論文，這里小編整理一些圖片展示給各位讀者，文末附有論文題目，感興趣的小伙伴可以去搜索。圖3. 磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人穿梭于復(fù)雜血管系統(tǒng)（science robotics）圖4. 3d打印的磁驅(qū)動(dòng)多足軟機(jī)器人（nature）圖5. 磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人（nature）為了實(shí)現(xiàn)磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人內(nèi)部磁場(chǎng)的編程，現(xiàn)有的方式基本依靠模板化的磁化方式生產(chǎn)制造。也有一些研究采用3d打印的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)分布的編排。然而，在這些研究中，有一個(gè)共同的限制就是磁場(chǎng)分布和機(jī)器人的加工過(guò)程是捆綁在一起的，對(duì)于每一個(gè)做好的軟機(jī)器人而言，它內(nèi)部的磁場(chǎng)分布就確定了。同時(shí)，以上的加工方式加工較慢，限制了大批量生產(chǎn)，從而一定程度上限制了磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人的實(shí)用性。近日，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)進(jìn)展（scienceadvance）》上的一篇論文提出了一種有效地解決方案，實(shí)現(xiàn)了磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的可重復(fù)編程，并且提升了磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人的生產(chǎn)效率。該研究項(xiàng)目由來(lái)自德國(guó)的“馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所”，美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，土耳其的科克大學(xué)以及瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工共同完成。圖6. 熱輔助磁場(chǎng)編程原理圖研究者們提出了一種“熱輔助磁場(chǎng)編程”的方式，即將內(nèi)嵌有永磁鐵顆粒物的軟機(jī)器人加熱到一定的溫度，即“居里溫度（居里點(diǎn)）”，磁性顆粒的磁性會(huì)逐漸紊亂并且弱化到0，這個(gè)時(shí)候，停止加熱，在軟機(jī)器人冷卻的過(guò)程中，對(duì)其施加一個(gè)一定方向的外部磁場(chǎng)，之前弱化的磁性就會(huì)根據(jù)外部磁場(chǎng)的磁感線重新排布。通過(guò)這一過(guò)程，就可以改變磁性顆粒物的磁場(chǎng)分布。小知識(shí)（百度百科）：居里點(diǎn)（Curie point）又作居里溫度（Curie temperature，Tc）或磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)。是指磁性材料中自發(fā)磁化強(qiáng)度降到零時(shí)的溫度。低于居里點(diǎn)溫度時(shí)該物質(zhì)成為鐵磁體，此時(shí)和材料有關(guān)的磁場(chǎng)很難改變。當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場(chǎng)很容易隨周圍磁場(chǎng)的改變而改變。小編先向大家展示一下研究者借助于這種“熱輔助磁性編程”方法加工的一些復(fù)雜形狀的磁驅(qū)動(dòng)軟結(jié)構(gòu)/軟機(jī)器人。在下一部分會(huì)介紹具體的材料和相關(guān)設(shè)備。文末有完整的視頻和論文鏈接，感興趣的讀者不要錯(cuò)過(guò)（注意：science advance的文章開(kāi)源）。通過(guò)對(duì)不同的“樹(shù)葉”進(jìn)行磁性編程，讓其在變化的磁場(chǎng)中“隨風(fēng)搖曳”。圖7. 隨磁場(chǎng)搖曳的小樹(shù) 圖8. 特別設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)控制的“蜻蜓” 圖9. 磁場(chǎng)控制的“花朵” 圖10. 磁場(chǎng)控制的復(fù)雜變形圓環(huán) 圖11. 磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的球形軟機(jī)器人當(dāng)軟機(jī)器人的外型固定，通過(guò)“熱輔助磁性編程”方法可以改變軟機(jī)器人內(nèi)部的磁場(chǎng)分布。研究者通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的四足軟機(jī)器人來(lái)展示相同結(jié)構(gòu)不同磁場(chǎng)分布的運(yùn)動(dòng)差異。圖12. 磁驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人圖13. 磁場(chǎng)重新編程過(guò)的四足機(jī)器人圖14. 磁場(chǎng)控制的自動(dòng)開(kāi)合小盒子 2. 原理與設(shè)計(jì)展示為了能夠?qū)崿F(xiàn)熱輔助磁性編程，研究者將將二氧化鉻（CrO2）10微米大小的微粒嵌入到PDMS的彈性體中。二氧化鉻是一種鐵磁性材料，它的“居里點(diǎn)”為118攝氏度，這個(gè)溫度對(duì)于大多數(shù)彈性體來(lái)說(shuō)都可以承受而不被損壞。研究者采用一束平行的近紅外能量可調(diào)節(jié)光束對(duì)于需要被磁化編程的彈性體進(jìn)行局部精確加熱。加熱溫度，加熱冷卻時(shí)間，以及加熱范圍都可以控制（在1.3mm直徑的加熱范圍內(nèi)，最短的加熱冷卻周期是5.7s）。圖15. “激光熱輔助”磁化編程設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 激光熱輔助磁化編程設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。一塊永磁鐵安裝在一對(duì)步進(jìn)電機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)繞兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)，在平臺(tái)上方安裝有一個(gè)霍爾磁場(chǎng)傳感器，以及一個(gè)功率可控的NIR激光裝置。圖16. “熱輔助”磁化設(shè)備展示通過(guò)控制平臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角，可以調(diào)整所要加載的磁場(chǎng)的角度，研究者測(cè)試了三個(gè)不同的磁鐵角度，分別是0°，45°和90°，并且模擬了三種磁鐵放置角度下，磁場(chǎng)的分布圖象。將冷卻中的磁性軟機(jī)器人放置于響應(yīng)的磁場(chǎng)中，就可以得到想要的磁場(chǎng)方向。圖17. 永磁鐵角度控制圖18. 不同角度磁鐵的磁感線分布借助于上述設(shè)備，研究者可以對(duì)于同一個(gè)形狀的磁化的軟彈性體進(jìn)行熱輔助編程。如下圖，展示了一個(gè)軟體四足機(jī)器人，以及一個(gè)柔性抓手在不同的磁場(chǎng)分布情況下，不同的變形情況。圖19. 四足機(jī)器人兩種磁場(chǎng)分布編程方式圖20. 軟體夾爪兩種磁場(chǎng)編程展示除去激光精準(zhǔn)定位加熱和磁化，磁化編程也可以通過(guò)借助于設(shè)計(jì)好的磁化模塊接近彈性體，同時(shí)系統(tǒng)性的加熱整個(gè)彈性體來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的話可以實(shí)現(xiàn)一次性成型。研究者展示了一個(gè)西方的智慧女神頭像圖形，在加熱子模塊后，將母模塊靠近子模塊，子模塊就會(huì)產(chǎn)生所需要的磁場(chǎng)分布。利用這種磁場(chǎng)編程方式，可以實(shí)現(xiàn)38微米級(jí)別的磁化。同時(shí)，這種方式最快可以實(shí)現(xiàn)1分鐘10個(gè)樣本復(fù)刻的速率。圖21. 一次性精準(zhǔn)磁化編程 3. 總結(jié)與展望研究者展示的熱輔助磁化編程策略把磁性軟彈性體的磁場(chǎng)分布和加工過(guò)程分割開(kāi)來(lái)，因此讓磁性軟機(jī)器人變得更加容易加工和個(gè)性化制造。研究者展示了十多種不同的結(jié)構(gòu)模式，均采用了熱輔助磁化編程策略，包括軟體四足機(jī)器人，軟體抓手，以及軟體滾動(dòng)球等。微觀尺度的磁場(chǎng)可以輔助發(fā)展一些具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)能力的微型機(jī)器人。在本研究中，實(shí)現(xiàn)了達(dá)38微米尺寸的3d磁化編程能力。和之前最精密的10微米相比，雖然還有一定的差距，但是研究者指出磁化的精度可以通過(guò)優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原件的優(yōu)化來(lái)提升。總的來(lái)說(shuō)，具有可重復(fù)變成的復(fù)雜形狀的多尺度軟機(jī)器人能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)上，可穿戴健康設(shè)備以及仿生微型機(jī)器人帶來(lái)無(wú)限可能。希望今天的“熱輔助磁化編程”能夠啟發(fā)相關(guān)或者相似領(lǐng)域的讀者朋友，有些時(shí)候看起來(lái)不可變的現(xiàn)象或許也能夠發(fā)生變化，激發(fā)大家的創(chuàng)新的思路，找到突破口。

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