能够自由穿梭的磁液滴机器人！我院最新科研成果发表在《Science Advances》
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近日，苏州大学机电工程学院孙立宁教授、杨湛教授课题组，哈尔滨工业大学谢晖教授课题组以及德国马克斯普朗克智能系统研究所的Metin Sitti教授课题组，联合研制出能自由穿梭在极端变化环境中的尺度可调控磁液滴机器人SMFR（Scale-reconfigurable miniature ferrofluidic robots）。相关论文以“Scale-reconfigurable miniature ferrofluidic robots for negotiating sharply variable spaces（应用于剧变环境空间的尺度可调控磁液滴机器人）”为题目发表在国际综合类学术期刊《科学》子刊《Science Advances》，苏州大学为第一通讯单位。
该论文设计的磁液滴机器人，不仅可以凭借优异的变形能力穿过狭窄的受限空间，还能在必要的条件下通过分裂或者融合的方式，实现自身尺度的按需调整，以适应极端环境和特定任务的变化。此外，论文还创新性地提出一种新颖的磁杠杆机制，并据此设计了复合式磁驱动系统M3RA(multiscale magnetic miniature robot actuation )，该装置可同时兼容微米到厘米尺度磁液滴机器人的运动控制，使得微型机器人的跨尺度控制成为可能。审稿人对论文给予了高度评价，认为该方法是液滴机器人领域的巨大进展（“This work is a significant advance in ferrofluid-based robots”）。
论文第一作者为我院青年教师范新建，范新建老师于2021年1月加入苏州大学机电工程学院从事博士后研究工作（合作导师：孙立宁教授），研究方向为多尺度磁驱动微型机器人的设计、控制、建模以及医学应用。目前范新建老师已在多个国际顶级杂志发表研究论文，包括Sci. Adv.、Sci. Robot.、PNAS、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等期刊，其中1篇被评为ESI高引/热点论文。通讯作者为我院孙立宁教授、杨湛教授和马普所的Metin Sitti教授，论文的理论部分工作还得到哈尔滨工业大学谢晖教授的大力指导和帮助。同时，该研究工作得到了江苏省自然科学基金、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、德国研究基金会等项目的资助。
尺度可重构磁液滴机器人的跨尺度运动控制与尺度重构策略
研究背景
无线驱动的微型机器人有望突破传统大型机器人的局限，完成以往难以完成的任务，如递送药物，进行组织活检等等，尤其在微创生物医疗领域有着广阔的前景。但人体内部环境十分复杂，对机器人的运动能力带来很多挑战。例如人体内部血管和组织间隙的尺度往往有若干数量级的跨越，仅通过某些固定尺度的微型机器人，无法匹配如此复杂的环境。此外，由于微型机器人在不同尺度下受到的主导其运动行为的力是随尺度的变化而变化，不同尺度磁液滴机器人的运动控制也难以统一。
研究成果
受自然界中液滴行为的启发，科研人员首先提出了基于磁流体液滴制备具有大变形能力的机器人的想法。磁流体的本质是具有磁性的四氧化三铁纳米颗粒分散在液体中形成的稳定流体，因此既具有很好的磁控性，又具有液体的流动性。通过在外部施加磁扭矩和磁梯度力，论文最终实现了磁流体液滴机器人的变形以及尺度可控切换，解决了传统微型机器人尺度不可变的难题。
磁流体及其的组成示意图
此外，科研人员还设计了一种新型的复合式磁驱动系统M3RA(multiscale magnetic miniature robot actuation )，该装置集成了四个电磁体和一个球形永磁体，结构非常像中国传统文化中的龙戏珠造型。该复合式磁控系统可以利用电磁体产生的微弱背景磁场，转动永磁体产生的强大目标磁场。因此该系统可以为机器人提供强大的磁场梯度力和磁扭矩，可同时兼容微米到厘米尺度磁液滴机器人的运动控制，使得微型机器人的跨尺度控制成为可能。此外，与传统磁控线圈的封闭结构不同，M3RA结构非常紧凑具有典型的半开放式结构，能够更好地贴近操作对象而不用将整个操作对象纳入工作空间当中。
M3RA磁驱系统结构设计示意图
该研究所提出的尺度可重构的磁液滴机器人代表了微型机器人技术和软体机器人技术的一个重要里程碑。这项工作非常适合应用在靶向医疗相关的应用，如靶向给药，微型外科手术等。以前的研究工作主要关注固定尺寸的微型机器人，而没有考虑机器人尺寸与所处环境的匹配关系，因此只有当这类机器人所处受限空间的横截面尺寸与机器人的横截面尺寸相当时才能产生有效的主动运动。而研究借助于SMFR的可变形性和强大的尺度调控能力，有助于提高其在体内环境受限环境的适应能力和病变组织深处的可达性。未来工作将集中于实现一些与生物医学相关的应用研究，例如基于 SMFR 的靶向货物输送、精确的局部磁热疗或肿瘤血管的选择性闭塞等。
SMFR在活体剧变环境（模拟）下的运动控制、变形与尺度缩放
拓展阅读
《Science Advances》是美国科学促进会(AAAS)主打的开源期刊，2015年创刊，2017年第一个影响因子高达11.511，是一本涵盖所有学术领域综合性科学刊物。期刊被国内外高度认可，是中科院1区Top期刊，实时IF-2022为14.957。目前《Science Advances》在综合类期刊中排名第三，排在前两位的则分别是《Nature》和《Science》。
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编辑排版：薛旭宁