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Science子刊發布實現可編程磁驅動軟機器人

導讀通過控制外部磁場，可以對磁驅動的軟機器人（或軟結構）實現無接觸的驅動控制。磁驅動的軟機器人有著很高的研究和實用價值，例如在醫學領域的體內藥物運送機器人，以及研發智能可穿戴領域等。近年磁驅動軟機器人得到很多知名高校和國際著名期刊的青睞。當下的磁驅動軟機器人內部的磁場分布都是按照預先設定好的模式設計制造，一旦完成，其內部磁場的分布就確定了，因此難以實現對于單個機器人磁場分布的可重復性“編程” 。近日，國際頂級期刊，science子刊《科學進展（scienceadvance）》刊登了一篇關于如何實現可重復編程的磁驅動軟機器人/結構的文章，題目為“可重復編程的變形磁性軟機器“，提出了一種對磁性軟機器人內部磁場重塑的方法：通過將嵌在軟結構中的永磁鐵微粒進行加熱，當溫度超過“居里點”后，在材料冷卻過程中施加一個外部強磁場就可以改變材料內部磁場分布。該研究項目由來自德國的“馬克斯普朗克智能系統研究所”，美國卡耐基梅隆大學機械工程學院，土耳其的科克大學以及瑞士的蘇黎世聯邦理工共同完成。論文中指出，這種方式的編程的磁場分辨率可以達到38微米，編程產出速率最快可達每分鐘10個樣本。 1. 可重復“編程”的磁驅動軟機器人近年來軟體機器人領域興起，出現了基于各種不同的物理化學原理驅動的軟機器人。其中有一類借助于外界磁場驅動的軟機器人，即磁驅動的軟機器人/軟結構。這類機器人驅動原理相對簡單，將具有磁性的顆粒物融合到彈性聚合物中（例如硅膠），使顆粒物的磁場按照一定的規律分布，就得到了一個磁驅動的軟機器人，這個過程需要對顆粒物磁場分布進行“編程”，從而滿足特定的場景需求。當對磁驅動軟機器人施加一個外部磁場時，通過控制磁場的強弱和方向，就可以控制軟機器人按照預先“編程”好的方式變形，從而完成任務。磁驅動軟機器人的最大特點就是，它實現了一種無接觸式的軟體機器人驅動，只要有合適的外加磁場就可以實現對于這類機器人的驅動和控制，并且無需擔心障礙物的阻隔。圖2. 一些典型的微型磁驅動軟機器人磁驅動軟機器人頗受一些國際頂級期刊青睞，包括《自然（nature）》和《自然通訊（naturecommunication）》和《科學-機器人學（sciencerobotics）》上都多次刊出磁驅動微型機器人/軟機器人的相關論文，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. 磁驅動軟機器人穿梭于復雜血管系統（science robotics）圖4. 3d打印的磁驅動多足軟機器人（nature）圖5. 磁驅動微型機器人（nature）為了實現磁驅動軟機器人內部磁場的編程，現有的方式基本依靠模板化的磁化方式生產制造。也有一些研究采用3d打印的方式來實現磁場分布的編排。然而，在這些研究中，有一個共同的限制就是磁場分布和機器人的加工過程是捆綁在一起的，對于每一個做好的軟機器人而言，它內部的磁場分布就確定了。同時，以上的加工方式加工較慢，限制了大批量生產，從而一定程度上限制了磁驅動軟機器人的實用性。近日，發表于國際頂級期刊《科學進展（scienceadvance）》上的一篇論文提出了一種有效地解決方案，實現了磁驅動機器人的可重復編程，并且提升了磁驅動軟機器人的生產效率。該研究項目由來自德國的“馬克斯普朗克智能系統研究所”，美國卡耐基梅隆大學機械工程學院，土耳其的科克大學以及瑞士的蘇黎世聯邦理工共同完成。圖6. 熱輔助磁場編程原理圖研究者們提出了一種“熱輔助磁場編程”的方式，即將內嵌有永磁鐵顆粒物的軟機器人加熱到一定的溫度，即“居里溫度（居里點）”，磁性顆粒的磁性會逐漸紊亂并且弱化到0，這個時候，停止加熱，在軟機器人冷卻的過程中，對其施加一個一定方向的外部磁場，之前弱化的磁性就會根據外部磁場的磁感線重新排布。通過這一過程，就可以改變磁性顆粒物的磁場分布。小知識（百度百科）：居里點（Curie point）又作居里溫度（Curie temperature，Tc）或磁性轉變點。是指磁性材料中自發磁化強度降到零時的溫度。低于居里點溫度時該物質成為鐵磁體，此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高于居里點時，該物質成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。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”方法加工的一些復雜形狀的磁驅動軟結構/軟機器人。在下一部分會介紹具體的材料和相關設備。文末有完整的視頻和論文鏈接，感興趣的讀者不要錯過（注意：science advance的文章開源）。通過對不同的“樹葉”進行磁性編程，讓其在變化的磁場中“隨風搖曳”。圖7. 隨磁場搖曳的小樹圖8. 特別設計的磁場控制的“蜻蜓” 圖9. 磁場控制的“花朵” 圖10. 磁場控制的復雜變形圓環圖11. 磁場驅動的球形軟機器人當軟機器人的外型固定，通過“熱輔助磁性編程”方法可以改變軟機器人內部的磁場分布。研究者通過一個簡單的四足軟機器人來展示相同結構不同磁場分布的運動差異。圖12. 磁驅動的四足機器人圖13. 磁場重新編程過的四足機器人圖14. 磁場控制的自動開合小盒子 2. 原理與設計展示為了能夠實現熱輔助磁性編程，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”為118攝氏度，這個溫度對于大多數彈性體來說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節光束對于需要被磁化編程的彈性體進行局部精確加熱。加熱溫度，加熱冷卻時間，以及加熱范圍都可以控制（在1.3mm直徑的加熱范圍內，最短的加熱冷卻周期是5.7s）。圖15. “激光熱輔助”磁化編程設備結構設計激光熱輔助磁化編程設備的結構相對簡單。一塊永磁鐵安裝在一對步進電機上，可以實現繞兩個軸的旋轉，在平臺上方安裝有一個霍爾磁場傳感器，以及一個功率可控的NIR激光裝置。圖16. “熱輔助”磁化設備展示通過控制平臺步進電機的轉角，可以調整所要加載的磁場的角度，研究者測試了三個不同的磁鐵角度，分別是0°，45°和90°，并且模擬了三種磁鐵放置角度下，磁場的分布圖象。將冷卻中的磁性軟機器人放置于響應的磁場中，就可以得到想要的磁場方向。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備，研究者可以對于同一個形狀的磁化的軟彈性體進行熱輔助編程。如下圖，展示了一個軟體四足機器人，以及一個柔性抓手在不同的磁場分布情況下，不同的變形情況。圖19. 四足機器人兩種磁場分布編程方式圖20. 軟體夾爪兩種磁場編程展示除去激光精準定位加熱和磁化，磁化編程也可以通過借助于設計好的磁化模塊接近彈性體，同時系統性的加熱整個彈性體來實現。這樣的話可以實現一次性成型。研究者展示了一個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，子模塊就會產生所需要的磁場分布。利用這種磁場編程方式，可以實現38微米級別的磁化。同時，這種方式最快可以實現1分鐘10個樣本復刻的速率。圖21. 一次性精準磁化編程 3. 總結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分布和加工過程分割開來，因此讓磁性軟機器人變得更加容易加工和個性化制造。研究者展示了十多種不同的結構模式，均采用了熱輔助磁化編程策略，包括軟體四足機器人，軟體抓手，以及軟體滾動球等。微觀尺度的磁場可以輔助發展一些具有復雜運動能力的微型機器人。在本研究中，實現了達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優化機械設計和機械原件的優化來提升。總的來說，具有可重復變成的復雜形狀的多尺度軟機器人能夠為醫學上，可穿戴健康設備以及仿生微型機器人帶來無限可能。希望今天的“熱輔助磁化編程”能夠啟發相關或者相似領域的讀者朋友，有些時候看起來不可變的現象或許也能夠發生變化，激發大家的創新的思路，找到突破口。

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