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任天堂游戏启发的科研功效,中科院科学家提出磁软体机械人制造法,无需加热即可编程,有望用于活体取样和介入治疗

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" ‘像素’结构的运用,源于一些童年记忆,作为 80 后一代,许多人都对任天堂游戏留下了深刻印象。游戏中由低分辨率像素构成的世界,是那么精彩、那么有趣。二十多年后,我已成为一名科研工作者。本次研究中,我把像素概念引入机器人制造,来让其形状设计更加系统化。" 中科院博士后赵冉说。

其最新论文的研究灵感来自小时候的游戏,具体来说这是一项关于磁软体机器人的研究。

图 | 赵冉(来源:赵冉)

在环境监测、生物医疗等领域,磁软体机器人具有广泛应用前景。但目前它存在的技术缺陷也非常明显:功能单一、无法重复使用、刚度低、无法定形等。

过往研究显示,这类机器人往往只能执行简单动作,例如抓取、爬行、翻滚、游动等。而由于较低的系统刚度,它们对环境压力的耐受度、负载以及交互能力都非常有限。从实验室走向应用,磁软体机器人仍有很长的路要走。

基于此,中科院赵冉提出一种基于像素结构的磁软体机器人制造方法,它可用于制造从毫米到更大尺度的磁驱动软体机器人。

相关论文题为《形状可编程磁性像素软机器人》(Shape Programmable Magnetic Pixel Soft Robot),目前已被   CCIR2021 会议收录。

图 | 相关论文(来源:赵冉)

这篇论文提出了一种形状可编程磁性像素软机器人的实现方法,机器人采用镓 / 钕铁硼 / 硅胶复合材料,且具有点阵结构。此外,作者还开发了可编程磁化技术和设备,以实现磁性像素膜的可重复磁编程。

磁性软机器人的运动来自于在磁场作用下,包裹在柔性矩阵中的磁性粒子的响应,这些颗粒可以是软磁性材料,也可以是磁性硬磁性材料。当采用硬磁性材料时,功能膜拥有较高的其残余磁化强度。

视频 |   磁性软机器人(来源:赵冉)

论文提出了提出一种磁性编码技术来模型化软件机器人响应动作设计。利用该方法,他制备了几种基于折纸结构的磁性软机器人。实验结果表明,利用磁性编码技术可以灵活地、重复地调节机器人的行为模式。

(来源:赵冉)

具体来说,通过将液态金属 / 磁性颗粒混合物,封装在特定的微小区域内(被称为 " 磁像素 "),他首次实现了基于低温相变的软体机器人可重复磁编程,调控温度非常接近于生物体适应的温度。

并且,他还让磁软体机器人具备 " 硬化 " 功能,机器人在无磁场条件下能保持固定形状。

(来源:赵冉)

通过这些技术,磁软体机器人具备了丰富的可编程特性,并具备了 " 智能化 " 特征。

这种可反复编程的磁化、刚度变化,可让软体机器人像传统机器人那样,通过编程来配置新功能,磁软体机器人可在软形式和刚性形式之间自由切换,以满足不同任务的需求。

下图显示了十字形状的软机器人,在实现三种不同的磁编码时的磁响应。这款机器人是一个长有四个叶片的风扇,当使用另一种磁码时,机器人可以站起来,它还可作为一个磁性抓手或胶囊,捕获或运输一个目标。

图 | 风扇机器人(来源:赵冉)

下面则展示了一个磁性折纸机器人,它由 8 个三角形板组成。四种编码用于生成包括:平行折叠、对角线折叠、金字塔和对角线双折叠在内的不同变形。这证明通过可重复的磁化技术,该机器人可以被重新编码,以产生不同的响应动作。

(来源:赵冉)

最初,赵冉只是想寻找一种可在磁弹性体上实现可重复磁化的技术。

当时主要有两类可行的方案:其一,通过控制磁性颗粒充磁 / 退磁实现可重复磁化;其二,利用高分子材料的玻璃化转变特性,实现磁性颗粒的翻转和重新排列。

但这些方法所需的控制温度都非常高,超过生物组织可承受的范围。

这时,赵冉在做拉伸传感器研究时,读到一些液态金属电极的研究文献。

(来源:赵冉)

很快他就意识到,液态金属是一种可帮助他实现可重复磁编程的完美材料:以镓基合金体系为例,它拥有丰富的熔点范围,大约在 0-30 摄氏度,且可通过调整元素配比实现,这意味着只需要极小的能量,就能实现相变。

通过早期实验和一些文献资料,他还发现了液态金属磁性复合材料的一些有趣物理现象。

比如,这类材料具备高流变性和磁极可重构性,而这正是实现 " 磁记忆 " 的基础。于是最初的设计产生了:借助模具,赵冉把液态金属 / 钕铁硼复合材料制作成薄板,在低温下将其封装在硅胶中。

然后他发现,这些机器人原型机实际上可以实现 " 冷编程 ",也就是无需加热即可编程。

此外,还有一个更有趣的现象:通过温度调节可让机器人在软体和刚体形态下转换。这些初步的结果,促使他继续深入研究,因为这些特性将会使磁软体机器人更具灵活性,同时还会带来更丰富的功能。

(来源:赵冉)

在此基础上,赵冉希望将这项技术更加泛化,使它不仅仅停留在几种简单范例结构的层面。

具体来说,将液态金属 / 钕铁硼复合材料封装在微小的区域中,并将这种微小单元命名为 " 磁像素 "。每个磁像素可以作为独立的工作区域,也可和其它像素一起构成更大的磁化轮廓。

另外,为保留 " 硬化 " 功能,他还在像素之间增加了微沟道,使它仍然可以在低温下固定形状。

他还分析和比较了目前已报道的磁性编程技术,具体情况见下表。对比可知,该技术可让 3D 进行可重复磁化,而且需要的加热温度更低。

图 |   对比表格(来源:赵冉)

审稿人认为,赵冉等人提出了一种可被磁场和温度激活的软体机器人,它可实现磁化和刚度的双重调节。这一想法非常超前。

在未来,液态金属磁软体机器人有望应用于药物输运、活体取样、介入治疗等领域。

总结来说,赵冉设计出一种具有热 / 磁响应函数、可重复磁化的磁性像素薄膜,并开发出一种三维磁向量编程设备,它可以将任意方向的磁各向异性配置为独立的磁像素。此外,他还提出一种磁编码技术,并提出了相应的数学模型,为机器人自动行为设计提供了基础。

于他而言,微型软体机器人的研究才刚刚开始。微型软体机器人能否像传统机器人那样具有智能性?例如可感知,可通讯、可编程?这是他给自己提出的问题。在他看来,类似《超验骇客》中那种无所无所不能的纳米机器人应该不会在可预见的较短时间内出现,但它至少会成为很多研究者的愿景。到那个时候,人类对于微观世界的改造能力将会登上一个新的台阶。

尽管该成果很酷炫,但赵冉说最近一年的研究生涯,可能是他人生中最艰难的一段时光。

在他博士后入站仅两个月时,他父亲因心脏病突发离世。这个突然的打击让他陷入了整整三个月的失眠,几乎无法工作。

因此,他非常感谢课题组的同仁在那个时期给予他的关怀,并帮他走出那段艰难时光。

另外一个印象深刻的事情是 720 郑州特大暴雨,由于通讯中断,他和家里失去了联系,而他妻子则被困在公司,第二天妻子步行三个多小时走回家里。

他说:" 记得终于接通电话,得到家人平安消息时,我已经泪流满面,那是最煎熬的十几个小时。基本上,过去一年的工作时间是非常支离破碎的,由于疫情反复,郑州、泉州两地奔波的我,经历了多次封城和隔离。这非常耽误本次研究,外出交流也变得异常困难,亦没有足够实验设备可供使用。"

他还表示:" 在心里层面上,有很多个时刻我都认为自己无法完成博士后的工作。但很庆幸,我坚持了下来。"

未来,赵冉将进一步缩小机器人的尺寸,并尝试设计一种 3D 结构。他相信,通用技术的发展将有助于使微磁软机器人尽快从实验室走向商业应用。 

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