研究背景

不受束缚的微型机器人可以微创、安全、稳健地进入人体的身体部位，在未来的医疗保健应用中有着巨大的潜力，例如：靶向药物输送、细胞移植、内窥镜和微创手术等。但是人体的部位大多在物理上都受到限制，且充满停滞/流动的生物液体。因此，微型机器人在人体内各种封闭空间内的自适应能力和定位能力对其在未来医疗中的应用至关重要。

目前最近的一种解决方案是将机器人尺寸缩小到远小于受约束环境的横截面尺寸，以通过利用壁效应来最小化流体阻力。这种策略的一个典型例子是磁性微辊，其直径小于血管横截面最小尺寸的1 / 10。然而，当滚轮尺寸与血管直径相当时（在毛细管内部），这种方法是不可行的。

自然界中，小型的软躯体有机体能够适应不断变化的环境，并通过自适应主体-环境相互作用实现有效的运动。收到启发后，研究者们为磁性编程的片状软机器人提出了一系列控制策略，以改变它们的运动模式，以适应充满停滞或流动流体的各种密闭空间中的不同环境条件。

研究成果

在充满流体的封闭空间内的软体运动研究对人体血管和生物管道内的无线医疗机器人至关重要。然而，当机器人的尺寸与这些密闭空间的横截尺寸相当时，主动软体运动很难实现。因此，本文提出了各种控制和性能增强策略，让片状软体机器人根据不同的充满液体的封闭环境实现多模态运动，包括滚动、波动爬行和螺旋面爬行。通过这些运动模式，片状软体机器人可以在不同大小的直线或者弯曲间隙、曲折通道和里面有流动流体的管子内运动。相关研究成果以“Soft-bodied adaptive multimodal locomotion strategies in fluid-filled confined spaces”为题发表在《Science Advances》上。

期刊速递

 图1 片状磁性软体机器人的制作及其在不同的充满流体的密闭环境中的主要变形和运动模式

 图2 机器人在充满液体的通道内的波动爬行和游泳模式

该软体机器人是由激光切割从磁性符合弹性体薄膜上切割下来的，又在水凝胶的帮助下，机器人被包裹在一个非磁性的圆柱杆上。磁化后，其在不同的密闭空间内都呈现最佳的身体变形。通过改变磁驱动频率，机器人的起伏推动发生改变。当驱动频率为 1 Hz 时，片状机器人执行波动爬行。当驱动频率为10 Hz 时， 片状机器人进行波浪式游泳。

图3 影响波动运动模式的不同因素

图4 实验和仿真中的螺旋面爬行运动模式

为了实现高波动运动速度，机器人应当设计为具有适当的机器人长度与间隙宽度之比δ（δ=L / w）。通过固定机器人的长度同时改变通道宽度（w =0.5、0.75和1.0 mm）。在δ=7 时，因为间隔狭窄的通道壁过度限制了机器人的变形，只能实现很小的变形幅度。其与δ=4.67 的波动运动相比，较小的振幅减少了爬行过程中投影长度的收缩和拉伸量以及游泳过程中输送的液体量。因此，爬行和游泳的速度都下降了。在δ=3.5时，机器人在爬行过程中几乎无法固定其前缘和后缘。因此，与δ=4.67的情况相比，爬行速度有所降低。仿真实验中，机器人可以在有水填充时，逆水流或顺水流移动，也可以在弯管中通过控制弯管的旋转轴方向在弯管中爬行。

图5 使用四种不同的运动模式在咽鼓管模型中的软体机器人

作为概念验证演示，研究者们模拟人体中连接喉咙和中耳的咽鼓管，做了软体机器人的模拟测试。当发生上呼吸道感染时，液体会在中耳空间聚集，从而发生渗出液的中耳炎。为了模拟这种环境，模型中被填充进了类似的中耳积液（剪切稀化非牛顿流体）。当机器人在圆管中时，施加 8Hz 的驱动频率使机器人螺旋表面爬行运动。机器人进入狭缝后，逆时针旋转 10Hz提供了产生波动的游泳运动，让机器人快速穿过相对笔直的间隙。当机器人接近狭缝出口时，改变了旋转方向和频率以顺时针和1Hz的频率来实现波动爬行，使机器人可以慢慢地将身体从缝隙中钻出来。机器人落入鼓室后，最后以 10 Hz 的频率使机器人滚离视野。

结果与展望

综上所述，研究者们提出了各种控制和性能增强策略，让片状软体机器人根据不同的充满液体的封闭环境实现多模态运动，包括滚动、波动爬行和螺旋面爬行。通过这些运动模式，可以实现片状软体机器人可以在各种类型的管道内运动。但是，必须明白的是，人体是一个复杂的生命体，其各个组织的摩擦特性与本文中构建的环境材料不同，这可能会影响机器人的运动性能。此外，许多体液是非牛顿流体，这与本文中测试的中耳积液（剪切稀化非牛顿流体）不同。因此，软体机器人在人体中的研究还需要进一步的研究验证。但仍不可否认，这种软体机器人的控制策略仍有望在人体医疗健康实现巨大的价值。

链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/27/eabh2022