具有多種運動模式的小型軟體機器人

小型機器人（尺寸從幾微米到幾毫米）體積小、耗能低，能進入一般機械系統無法進入的狹窄而封閉的作業空間內進行精細操作。因此，其在微納製造、生物工程、醫療保健和微創手術等方面有廣泛的應用。然而，現有的小型機器人機動性有限，無法適應非結構化環境。在小型機器人中，軟體機器人相比於剛性機器人具有更高的自由度和通過多模式運動實現更高機動性的潛能。近期，《Nature》期刊報道了德國Max Planck智能系統研究所的Wenqi Hu等人發明的一種磁致彈性毫米級軟體機器人。

該機器人由軟體活性材料製作而成，表面疏水，具有生物相容性，可通過外部磁場驅動產生預期的形狀與運動。在硅橡膠基體中內嵌平均直徑為5μm的硬磁性NdFeB顆粒並進行磁化，使得該機器人具有預設磁性。

磁致彈性小型軟體機器人的設計

其外部磁場由3個正交的電磁鐵產生，通過控制外部磁場的大小和方向，可以實現該機器人多種不同的運動模式。例如，當完全浸入水中時，在大小和方向周期性變化的外部磁場作用下，該機器人可以在C字和V字構型間轉變，產生類似水母的游泳步態。受甲蟲幼蟲在液體-空氣表面運動的啟發，該機器人可通過外部磁場方向的變化以C字構型爬上液體半月面。當碰到旁邊的固體表面時，改變磁場大小方向，利用表面疏水性使它離開水面，實現著陸。當其從液體-空氣表面下沉時，可通過改變磁場方向實現向下彎曲、旋轉、拍打等動作以離開此表面。

小型軟體機器人的多種運動模式及其轉變

受毛毛蟲滾動運動的啟發，該機器人可在方向周期性變化的磁場作用下實現在固體表面上的滾動。然而，此滾動步態有一定局限性，它無法越過比其直徑大的縫隙，為此研究人員開發了其行走步態。該機器人可通過外部磁場的變化調整傾斜角和曲率，產生類似尺蠖的行走步態，其步態長度和頻率亦可通過外部磁場調節。當該機器人需要通過狹小的通道時，可以採用蠕動步態前進。此步態由方向周期性變化的外部磁場控制。此外，該機器人還具有與線蟲類似的跳躍步態。此時外部磁場同時控制著該機器人的剛體旋轉運動和彈性變形，從而分別控制其跳躍的方向和高度。

軟體機器人在固液混合環境中的多種運動模式

此機器人不僅可以通過不同運動模式的切換實現在固液混合等非結構化環境中的運動，還可以執行物品取放和運輸等任務。這些特性使其在諸如生物感測、靶向藥物輸送等生物及醫療領域有著廣闊的應用前景。然而，目前該機器人的控制需通過外部磁場實現且其在預設磁性時會產生殘餘應變能，如何將驅動集成在機器人主體上並減小殘餘應變能的影響是下一步需解決的問題。

軟體機器人在醫療方面的應用

參考文獻：

[1] Hu, W., Lum, G. Z., Mastrangeli, M., & Sitti, M. (2018). Small-scale soft-bodied robot with multimodal locomotion.

Nature, 554(7690).

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