可编程磁驱动软体机器人来了！科学子刊：其背后的原理是19世纪末提出的在自然界中，花朵是被风吹来的。 在实验室里，科学家们也取得了类似的效果。 然而，“移动的花瓣”背后的驱动力不是风，而是磁场。按照这种思路，还设计了由磁场驱动的可编程软体机器人。 这款机器人背后的团队是来自马克斯普朗克智能系统研究所物理智能系、卡内基梅隆大学机械工程系、土耳其科克大学医学与工程学院的团队，和苏黎世联邦理工学院的生物医学科学。工程研究所研究员。 2020年9月18日，团队研究成果正式发表于顶级学术期刊《科学》子刊《科学进展》（ScienceAdvances），题为Reprogrammableshapemorphingofmagneticsoftmachines（Reprogrammableshapemorphingof磁软机）编程变体）。 软体机器人是由什么驱动的？ 软体机器人正在走入大众视野。 香港科技大学机器人研究院院长王宇曾在2018世界机器人大会上表示，从最基本的角度来看，软体机器人主要存在三个问题——如何定义软体机器人系统和如何设计/控制软机器人系统，制造软机器人系统的材料问题。 对于第二大问题，王宇教授认为，我们不可能用铰链和传感器来解决软体机器人如何产生运动，如何更复杂地控制运动。控制变成了一件很麻烦的事情，因为有无限的自由度，要看软体机器人系统怎么驱动，最后怎么实现好的控制。 也就是说，对于软体机器人来说，驱动方式是很重要的一环。 事实上，软体机器人的发展离不开材料科学、机器人学、生物力学、传感与控制等多学科的进步。机器人开始出现。 例如气驱——ICRA2017，机器人与自动化国际会议，加州大学圣地亚哥分校机器人实验室，公布了一款3D打印的软体四足机器人。这个机器人由气体驱动，它的每条腿都由3根可伸缩充气橡胶管制造。 又如光源驱动2016年，波兰华沙大学物理学院的研究人员设计了一种由液晶弹性体制成的软体机器人，在可见光照射下会变形，身体会移动因此。 甚至是自动驾驶——还是在2016年，哈佛魏斯生物工程研究所制造出世界上第一台全软体自动驾驶机器人，据说可以独立跑4-8分钟。当时这只“小章鱼”还登上了《自然》杂志。 那么，上面提到的由磁场驱动的软体机器人有没有先例呢？当然有。 同样在2016年，美国科学家受鱼的启发，研制出“纳米鱼机器人”，其应用场景是在人体内输送药物。小鱼是被磁力驱动的，游动的速度和方向是由磁场的方向和强度决定的。 问题来了：时隔四年，磁力驱动软体机器人系统有哪些创新？ 二氧化铬粒子的高通量磁性编程 首先要明确一点，科学家们把这个机器人称为“磁场驱动的可编程软体机器人”，也就是说，这个机器人的突破是“可编程的”. 科学家表示，虽然磁力驱动的软体机器人已经应用于微创医疗、可穿戴设备等领域，但机器人内部的磁场分布是按照预设模式制造的，无法重新编程。 用科学家的话来说：当前的磁性编程方法本质上与顺序制造过程耦合，阻碍了可重编程性和吞吐量编程。 基于此，团队的策略是热辅助磁编程。 在第一步中，软磁材料被激光局部加热到高于嵌入软机器人系统中的10微米二氧化铬颗粒的居里温度的温度。 居里温度，又称居里点，由皮埃尔·居里于19世纪末提出。是指磁性材料中的自发磁化强度降为零的温度：当温度低于居里点时，物质变成铁磁体，与材料相关的磁场难以改变；当温度高于居里点时，物质变成顺磁体，与物质相关的磁场很容易被周围的磁场改变。 所以科学家们要做的第一步就是将软体机器人系统中嵌入的永久铁磁粒子加热成为顺磁体，其磁场可以受到外界的影响。【居里夫人的丈夫皮埃尔·居里】 第二步是在冷却过程中施加磁场，使软体机器人系统中嵌入永久铁磁颗粒的磁畴重新定向。 在这里我们需要解释一下什么是磁畴。 我们都知道，分子和原子可以构成物质的基本单位（构成生物体的大分子上的局部区域），而基本单位中的电子绕原子核运行可以形成电流，而电流可以产生磁场。 因此，每个元素相当于一个小磁铁，大量的元素组成一个更大的结构。如果结构中的所有元素都能产生同方向的磁场，那么这种结构就称为磁畴。 按照上述策略，科学家们展示了具有高空间分辨率（~38μm）的离散、三维和可重新编程的磁化。 上图A部分是上面两步操作的示意图。 B部分显示加热到二氧化铬颗粒的居里温度（118℃）需要1.7s，冷却到居里温度的一半需要4s。C部分显示热辅助磁化达到90%。 释放软体机器人的潜能 那么，这个策略的效果如何呢？ 论文介绍，该团队利用可编程磁化成功改变了软体机器人内部的磁场分布。从而可以重构辅助超材料结构的力学行为，调整行走软体机器人的运动，软夹也可以实现自适应抓取。 如下图所示，一组具有不同三维磁化曲线的结构在磁场的作用下可以转化为复杂的三维结构。 此外，研究团队还设计了一个三维磁化“火柴人”结构。可以看到，无论是身体、肩膀、手臂还是头部，在磁场的驱动下，“火柴人”都发生了复杂的三维变形。 研究团队还通过磁化设计了一种可重新编程的自适应软夹。 不仅如此，科学家们还利用磁场分布转移，打造出了智慧女神雅典娜的头像。 总体而言，该策略可实现38微米尺度的高通量磁性编程（速度高达10个副本样本/分钟），并为开发多尺度、可重新编程的软机器人空间和大规模制造潜力提供丰富的设计。 引文来源： https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/38/eabc6414.full.pdf
