近年来，生物医学领域对能够进入人体内难以触及区域并执行靶向操作的柔性微型机器人的需求日益增长。然而，现有的软体微型机器人在结构设计完成后，很难大幅改变其稳定形状，从而导致运动模式固定，限制了其应用环境。为了克服这一挑战，北京理工大学智能机器人研究所的研究人员受到可生物降解的海藻酸盐凝胶在环境离子浓度变化刺激下可逆伸缩反应的启发，制造出了一种形态可变的超软水凝胶微型机器人。相关研究日前以“Double-Modal Locomotion of a Hydrogel Ultra-Soft Magnetic Miniature Robot with Switchable Forms”为题，发表在中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems上。
▍微型机器人的设计与制造
该微型机器人采用电沉积工艺制造，由带有磁性头部和非磁性尾部的长方形藻酸盐水凝胶构成，尺寸比例为100:5:2（长轴:短轴:厚度）。其制造过程首先在掺氟二氧化锡（FTO）导电玻璃上制作所需的长方形光刻胶图案，然后分别滴加含有海藻酸钠和碳酸钙的溶液A以及在此基础上添加NdFeB磁性微粒的溶液B。通过在两个FTO玻璃板之间施加恒定电流引发电解，阳极表面快速产生H+并降低pH，刺激电沉积过程。H+与CaCO3反应生成CO2和Ca2+，Ca2+进一步与海藻酸钠发生钙藻酸盐凝胶化反应，形成柔性微型机器人本体。最后将其置于700mT磁场中进行轴向充磁，获得具有磁响应特性的微型机器人。
微型机器人的材料选择至关重要。海藻酸盐水凝胶具有优异的生物相容性和柔韧性，其机械强度可通过调节交联程度进行调控，以满足不同应用需求。此外，通过优化NdFeB磁性微粒的掺杂浓度和分布，可进一步提高微型机器人的磁响应灵敏度和运动效率。值得一提的是，电沉积制造工艺简单高效，易于实现微型机器人的批量化生产，为其未来的实际应用奠定了基础。
▍可逆变形机理探究
研究发现，由于微电极的边缘效应导致不均匀电场的产生，微型机器人内部的凝胶网络密度分布不均匀，这种非均质网络结构赋予了其可逆变形能力。在低pH环境环境（1 <pH<3）中，H< span> </pH<3）中，H<>+与CaCO3反应产生Ca2+，Ca2+与海藻酸根通过离子交联形成"蛋盒"结构导致凝胶收缩；而在pH较高的环境中环境（pH>5）中，-COO-等酸性基团发生质子化或与一价阳离子反应，吸水导致疏松的凝胶网络，使得微型机器人恢复原状。实验证明，所设计的柔性微型机器人变形角度可逆，最大变形角度可达180°。
微型机器人的可逆变形能力源自海藻酸盐水凝胶的独特分子结构和环境响应特性。海藻酸盐是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸通过1,4-糖苷键连接而成的线性多糖，其分子链上富含羧基官能团。当环境pH降低时，羧基质子化，分子链疏水性增强，同时Ca2+与羧基配位形成物理交联点，凝胶网络塌陷收缩；反之，pH升高时羧基去质子化，静电排斥力增大，分子链伸展，凝胶网络膨胀舒张。基于对这一机理的深入理解，研究人员可以通过调控交联离子种类、浓度以及环境pH等参数，精准调控微型机器人的变形行为，满足复杂环境下的运动需求。
▍双模态运动控制策略
基于柔性水凝胶微型机器人的伸展和收缩形态，研究人员设计了相应的摆动和滚动两种运动模式及其驱动磁场。当微型机器人处于棒状伸展状态时，通过施加振荡磁场可实现向前摆动；而当其变形为球状时，旋转磁场驱动下可完成滚动运动。
在摆动模式下，磁性头部与外加振荡磁场同频率振动，非磁性尾部则因拉力作用能够滞后摆动，形成非对称节拍。通过调节振荡磁场的方向和频率，可改变微型机器人的运动方向和速度。实验表明，在开放环境中，当驱动频率为1Hz时，机器人速度约为0.23mm/s，驱动频率每增加1Hz，速度增加约0.25mm/s。而在滚动模式下，1Hz驱动频率对应的速度约为1.07mm/s，频率每提高1Hz，速度提升0.5mm/s。滚动运动的速度明显高于摆动运动。这是因为滚动过程中球形物体的形状对流体的阻力较小，它可以更容易地移动，速度就相对较快；而摆动运动中，流体会在机器人本体周围形成较厚的边界层，并且由于流体在机器人表面的黏附，会发生更多的摩擦，棒状伸展状态的机器人会引起更大的阻力，导致推进效率降低。随着外加驱动磁场频率的增加，机器人运动速度初始阶段快速上升，直至达到临界阈值。超过该点后，机器人变形响应无法跟上磁场变化，运动速度反而迅速下降。
双模态磁驱动控制策略的实施得益于柔性微型机器人优异的磁响应特性和变形能力。通过合理设计磁场时空分布，结合实时视觉反馈，可实现微型机器人运动模式、速度和方向的精准调控。此外，双模态驱动方式的切换无需改变机器人硬件结构，仅需根据其当前形态选择合适的磁场模式即可，这极大地提高了微型机器人对环境的适应能力和任务执行的灵活性。
▍狭窄空间穿越能力展示
此外，研究人员还展示了柔性微型机器人在狭窄空间中的移动能力。实验中，微型机器人成功通过了一个长约7mm、宽约0.5mm的狭缝，完成了进入、到达尽头、原地转身、离开并旋转脱离的全过程。进入狭缝时，机器人减小摆幅、增加摆频；到达狭缝末端受阻后，利用柔性身体收缩并原地转向；当机器人局部脱离狭缝后，转为大幅度摆动以迅速逃离狭缝。整个过程充分体现了变形柔性机器人优异的环境适应性。
微型机器人在狭窄空间中的运动控制是一大挑战。首先，狭小的空间限制了机器人的运动自由度，传统的刚性机器人易发生卡死或损坏；其次，复杂的狭道边界条件给磁场调控带来困难，需要精准的时变磁场与实时反馈相结合；再者，机器人尺寸小、速度慢，对环境扰动非常敏感，需要快速响应和适应能力。本研究中的柔性水凝胶微型机器人凭借其变形能力和双模态驱动策略出色地应对了上述挑战。棒状时细长的身体可以轻松进入狭缝，到达死角后又可收缩变形调整姿态转向，离开狭缝时则恢复原状并快速逃离。这种灵活多变的运动能力将极大拓宽微型机器人的应用场景，使其能够执行管道检测、药物递送等任务。未来，研究人员还可进一步优化机器人的形状和尺寸，以适应不同狭窄环境的特定需求。
▍总结与展望
总之，这项研究制造了一种具有可变形态和多模态运动能力的生物相容性超软微型机器人，为复杂非结构化封闭生存环境下的生物医学应用提供了新思路。柔性水凝胶材料的可逆变形特性，使得单一机器人实现了不同形态下的多种运动模式，极大拓展了其环境适应能力。双模态磁驱动策略的提出，解决了变形机器人运动控制的难题，为其在复杂环境下的精准调控提供了有力工具。此外，微型机器人出色的狭窄空间穿越能力展现了其在特殊环境下的应用潜力。
未来，这类柔性微型机器人有望在疾病诊断、微创手术、免疫治疗、药物递送等方面发挥重要作用。例如，机器人可通过血管等狭窄通道将药物递送至病灶处，并根据局部环境信号响应释放药物；再如，机器人可深入人体组织、器官等难以触及的区域执行组织取样、微创手术等任务，降低传统手术的创伤和风险。当然，要真正实现体内应用，还需在机器人的精准控制、生物安全性评估、功能集成等方面开展深入研究。此外，微型机器人的批量化制造、可靠性验证、配套设施开发等也是亟待解决的问题。相信通过学者们的不懈努力，变形柔性微型机器人定能不断突破瓶颈，在生物医学等领域取得更大突破，造福人类健康事业。
阅读原文：https://spj.science.org/doi/abs/10.34133/cbsystems.0077
