澳门大学科技学院徐青松教的团队报道了一种可按需硬化、可涂抹磁控软体机器人，具有快速可控硬化和灵活部署的优势。它不仅可以凭借强大输出力单独完成指定任务，还可与现有手术机器人或器材协同配合使用。通过施加不同的磁场可以灵活地激发软体机器人不同的物理特性，包括可控粘附和快速硬化，以丰富磁控机器人的性能。该成果以题为“Spreadable magnetic soft robots with on-demand hardening” 发表于Research。

Citation:

Xu Z, Chen Y, Xu Q. Spreadable Magnetic Soft Robots with On-Demand Hardening. Research 2023; 6: Article ID: 0262. DOI: 10.34133/research.0262

PART.01

研究背景

无线驱动的磁性软体机器人可以到达人体深处的组织和角落，对病患者的精准治疗具有重要作用。然而，由于输出力和结构刚度等功能和自身性能参数缺点，在实际的体内临床应用中仅使用磁性机器人仍然存在一些局限性。这些固有缺点阻碍了磁性机器人进一步的医学开发和研究，急需更加灵活和更高适应性的部署和使用策略。采用磁性机器人独立完成复杂的任务仍然是一大挑战。将磁性机器人与现有医疗设备进行协同开发是一种极具应用前景的实现途径，可以将新发现尽早引入到临床应用中。磁性机器人可与多种传统医疗设备相结合，可大大增强其性能。通过磁驱动赋能可以引入额外的功能，包括精准导航和执行功能，并为多种专业仪器（如磁导管）提供全新的使用策略。如何将磁性机器人与传统医疗设备高效结合是一项值得研究的工作。另外，磁性机器人还需具有出色的适应性和变形能力，以及超软结构、重新配置和良好的附着力，以使其能够灵活地与现有的医疗工具一起协同工作。当前，采用超软结构实现具有足够刚度和输出力的机器人具有很大挑战性。

PART.02

研究进展

研究团队的实验结果表明，采用磁性颗粒和非牛顿流体软材料的混合物制造的磁控软体机器人可以实现可编程硬化、可控粘附、柔软可重构等特性（图1）。

图1 磁控软体机器人的应用示意图

通过施加外部磁场，借助软体机器人的粘附和磁驱动，1克软体机器人能抓起自身300倍重量的物体。该软体机器人可以粘附在各种物体的表面，赋予其磁性驱动的能力，从而提升操控性能（图2）。

图2 磁性软体机器人基本性质和粘附力演示

当与传统手术机器人一起协同使用时，软体机器人能够为其提供精准的磁驱动导航和控制，以及更加多样化的功能，包括粘附抓取和相关操作（图3）。

图3 磁性软体机器人的灵活部署以及与传统设备协同工作

此外，还可通过施加快速变化的无线磁场来激活软体机器人的非牛顿特性，使其可以在流体和固体的形态之间进行实时可控的切换，从而实现硬度快速切换（图4）。

图4 磁性软体机器人的按需可控硬化

PART.03

未来展望

研究团队所开发的磁控软体机器人具有以下优点：（1）具有超柔软的结构和良好的粘附特性，可以实现灵活的部署，并可与现有的手术设备协同使用；（2）其粘附性可以由外加磁场可控调整，有助于实现更加多样化的功能；（3）能够实现快速的可编程硬化，提高自身机械刚度与硬度，并且提供强大输出力。团队表示，设计出功能强大的磁控机器人在先进医疗应用方面具有重要价值，所提出的设计思想与应用策略对于相关研究具有重要的借鉴意义。

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作者简介

徐青松（Qingsong XU），澳门大学科技学院机电工程系教授，智能与微纳系统实验室主任，美国机械工程师学会会士（ASME Fellow）。主要研究领域包括机器人与机电一体化、控制与自动化、智能与微纳系统、精密操作机器人与应用等。先后主持国家自然科学基金项目、澳门科学技术发展基金重点研发项目等科研项目20 余项；出版Springer、Wiley、Elsevier等专著4部，发表学术论文370余篇（其中SCI期刊论文160余篇），被引用11000余次（Google Scholar），H指数为62。担任国际权威期刊IEEE Transactions on Robotics，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics和 IEEE Transactions on Automation Science and Engineering等副主编。多次获得IEEE国际会议最佳论文奖，获澳门科学技术奖自然科学奖、技术发明奖和科技进步奖共5 项，2019年以来连续入选美国斯坦福大学（Stanford University）发布的“全球前2%顶尖科学家”榜单。

个人主页：

https://www.fst.um.edu.mo/personal/qsxu/

转自：“蔻享学术”微信公众号

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