竇斌宏，陶然，王兆一，李兵，郝崇磊

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳） 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳 518055）

小尺度機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域的重要分支，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)難救援等場景中具有重要意義，因?yàn)槠涑叽巛^小，可無創(chuàng)進(jìn)入幾毫米甚至幾微米的封閉空間，使利用其在人體內(nèi)進(jìn)行細(xì)胞操縱、靶向藥物運(yùn)輸、微創(chuàng)手術(shù)等成為可能[1-4]。小尺度機(jī)器人的主要挑戰(zhàn)在于其受到尺度效應(yīng)影響，無法直接應(yīng)用大型機(jī)器人中的經(jīng)驗(yàn)和理論，需要通過新的視角來審視這些挑戰(zhàn)。因此，受生物啟發(fā)的小尺度機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)新興研究方向，吸引了科學(xué)家的極大興趣。自然界中的小型動(dòng)物大多數(shù)不像大型動(dòng)物那樣擁有復(fù)雜的肌肉-骨骼結(jié)構(gòu)，它們往往通過自身伸縮、彎曲等變形，實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)、彈射、噴射等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，并且能夠利用這些運(yùn)動(dòng)在復(fù)雜的自然環(huán)境中生存。這啟發(fā)人們可以通過控制機(jī)器人本體材料的變形，進(jìn)而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及操作[5]。隨著智能材料的深入研究以及加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，小尺度機(jī)器人領(lǐng)域在驅(qū)動(dòng)方式、制備技術(shù)等方面得到了快速的發(fā)展，取得了大量的研究成果，但距離小尺度機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用還有待考察，主要問題在于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)能力有限，難以在多種復(fù)雜的狹小空間中自如地運(yùn)動(dòng)，并且執(zhí)行微型操作[6-8]。

小型動(dòng)物的行為特征對(duì)于研究小型機(jī)器人具有重要的指導(dǎo)作用。在自然界中，小型動(dòng)物總是能夠適應(yīng)各種不同環(huán)境，可以在多種界面上自如地運(yùn)動(dòng)，例如瓢蟲、水黽、蝸牛等由于體積小、比表面積大等特點(diǎn)，能廣泛利用界面現(xiàn)象在不同的地形上爬行、游動(dòng)或懸停在空氣、水下表面，而且可以自由地在不同的界面之間穿梭，能夠在受限狹窄空間中移動(dòng)并克服各種障礙。這些發(fā)生在不同界面上的特異行為，將為提升微型機(jī)器人應(yīng)對(duì)復(fù)雜狹窄環(huán)境的能力提供豐富的經(jīng)驗(yàn)。自然界中生物體的表面經(jīng)過進(jìn)化，可以使它們適應(yīng)復(fù)雜的界面環(huán)境。小型動(dòng)物例如昆蟲、壁虎等之所以能夠在界面上產(chǎn)生特異性為，是因?yàn)榻缑娆F(xiàn)象的存在，通過粘附等機(jī)制使其能夠適應(yīng)不同的復(fù)雜環(huán)境。可以預(yù)見，界面現(xiàn)象將對(duì)機(jī)器人小型化以及提升運(yùn)動(dòng)性能起到重要作用[9]。

目前小尺度機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要包括電驅(qū)動(dòng)[10]、磁驅(qū)動(dòng)[11]、熱驅(qū)動(dòng)[12]、光驅(qū)動(dòng)[13]、超聲驅(qū)動(dòng)[14]、壓力驅(qū)動(dòng)[15]、生物混合驅(qū)動(dòng)[16]、PH 驅(qū)動(dòng)[17]等，其中磁驅(qū)動(dòng)方法由于能夠通過磁場非接觸地產(chǎn)生力和扭矩，已被認(rèn)為并證明是一種有前途的技術(shù)。它能夠提供機(jī)器人所需的能量，并對(duì)機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行精確地控制，已被證明在許多工程應(yīng)用，特別是小型應(yīng)用中，是一種有效且有影響力的方法。除此之外，由于磁場對(duì)人體幾乎沒有傷害，這使得磁控機(jī)器人在醫(yī)學(xué)上將具有巨大的潛力[18]。對(duì)于磁控微型機(jī)器人的研究焦點(diǎn)主要包括操控機(jī)理、制備方法、控制方法等。在操控機(jī)理方面，目前磁驅(qū)動(dòng)機(jī)理主要包括基于磁力和磁轉(zhuǎn)矩的磁梯度推進(jìn)、螺旋推進(jìn)以及擺動(dòng)推進(jìn)等，除了這些簡單的推進(jìn)方式外，還可以通過模仿小型動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，以提高小尺度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力。在制備技術(shù)方面，3D 打印受到越來越多學(xué)者的關(guān)注和研究，在小尺度機(jī)器人的制備中具有重要作用，除此之外，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)、模具成型技術(shù)也被廣泛的研究和應(yīng)用[19-21]。在控制技術(shù)方面，無模型的智能控制方法被越來越多的研究者所應(yīng)用，在生物醫(yī)學(xué)方面取得了卓著的成效[22-24]。本文概述了在液-氣界面、固-液界面、固-氣界面運(yùn)動(dòng)的昆蟲及其他小型動(dòng)物的界面行為；重點(diǎn)介紹了小尺度磁控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、制備技術(shù)及控制方法；最后，對(duì)通過界面技術(shù)提升磁控軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的愿景進(jìn)行了展望。

1 小型動(dòng)物的界面現(xiàn)象

在自然界中，很多小型動(dòng)物生活在惡劣的環(huán)境中（圖1），暴露在灰塵、各種界面、液體或高濕度環(huán)境下，這對(duì)研究小尺度機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)及操控提供了解決方案。在過去的幾十年中，大型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)取得了長足的進(jìn)步，而小尺度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。微型化和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式之間相互耦合，因此微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)往往立足于材料本身，通過外部刺激以達(dá)到運(yùn)動(dòng)的目的。事實(shí)證明，光、聲和磁等刺激可以有效地操縱小物體，但是這可能會(huì)限制這些系統(tǒng)的適用性。

圖1 自然界中在液-氣、固-液、固-氣界面行走的小型動(dòng)物示例Fig.1 Examples of small animals walking on liquid-gas, solid-liquid, and solid-gas interfaces in nature: a) water strider[25]; b) fire ant[26]; c) sybil beetle; d) gyro beetle[27]; e) sea slug; f) flat intestine; g) cap shellfish; h) leaf beetle[28]; i) southeast crown snake; j)gecko; k) aphids

1.1 液-氣界面

水面上會(huì)發(fā)生許多重要的相互作用，經(jīng)過長時(shí)間的進(jìn)化，許多小型動(dòng)物都能夠在水面上生活，例如水黽（圖1a）類動(dòng)物生活在陸地-水生邊界上（包括靜水、快速流動(dòng)的溪流甚至是海面）。棲息地的多樣性和出色的利用水面的能力，使水黽進(jìn)化出了復(fù)雜的機(jī)制生活在水面上，它們腿部極強(qiáng)的超疏水性提供了出色的水面操作能力，理論分析表明，水面的表面張力在各種相互作用中起主要作用[25]。固體表面的潤濕行為可以用楊氏模型[29]來進(jìn)行推導(dǎo)，在理想平面上，液滴和固體表面之間的接觸角θY如圖2a 所示，可以由公式(1)進(jìn)行描述。

其中，θY是楊氏模型的平衡接觸角，γsg、γsl、γlg分別是固-氣、固-液、液-氣界面張力。楊氏模型里的固體表面是理想狀態(tài)下均勻、光滑、無限平坦的剛性固體表面。水黽的足部具有超疏水性，其腿部被大量傾角約為20°、直徑小于3 μm、長約50 μm 的微型剛毛覆蓋，每根剛毛表面具有精細(xì)的納米紋路[30]。在這種情況下，宏觀接觸模型需要采用Cassie 模型[31]，如圖2b 所示，宏觀接觸角θC可由公式(2)進(jìn)行描述，其中?為單位面積內(nèi)，固-液界面的接觸面積與實(shí)際表面積之比。

圖2 接觸角模型原理圖Fig.2 Schematic diagram of contact angle model: a) Young ’s model; b) Cassie model

火蟻（圖1b）起源于廣闊的洪泛區(qū)和濕地，是一種多態(tài)螞蟻，被困在水下的火蟻能通過利用從淹沒基質(zhì)中收集的氣泡，將自身提升到空氣-水界面進(jìn)行逃逸，且其在疏水性剛毛下可以維持氣泡[26]。在某些水生甲蟲中，其鞘翅的表面顯示出相對(duì)較低的接觸角，甚至具有親水性。Sun 等[32]報(bào)告了西比爾雌雄同體甲蟲（圖1c）的鞘翅表面不具有均勻的接觸角，而是具有沿后軸縱軸的梯度潤濕性。當(dāng)一小滴水接觸到鞘管表面時(shí)，其頭會(huì)浸在水中與水面成小角度傾斜。陀螺甲蟲是半水生昆蟲（圖1d），在水面上行走時(shí)，甲蟲會(huì)同時(shí)受到流體阻力和波浪阻力。Jonathan等[27]分析了陀螺甲蟲在水面上的游泳速度、腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)和毛細(xì)作用波，發(fā)現(xiàn)這些甲蟲使用了三種腿部運(yùn)動(dòng)類型，并產(chǎn)生了四種主要速度模式，每種類型的腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)都會(huì)產(chǎn)生特征性的毛細(xì)作用波，且陀螺甲蟲能通過使用低速和高速腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)避免最大阻力。

1.2 固-液界面

當(dāng)考慮使用小尺度機(jī)器人時(shí)，水下環(huán)境就對(duì)材料和運(yùn)動(dòng)提出了更大的挑戰(zhàn)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)會(huì)受到浮力、不同黏度和雷諾數(shù)下阻力的影響（圖3）。動(dòng)物在水下固體表面的運(yùn)動(dòng)速度v取決于它們的粘附力FA和摩擦力Ff。水下附著可能與化學(xué)黏液[33]、表面微結(jié)構(gòu)形成的機(jī)械聯(lián)鎖[34]、界面上的毛細(xì)力[35]以及某些抽吸器官形成的負(fù)壓力[36]等有關(guān)。

圖3 軟體材料在固-液界面的接觸Fig.3 The contact of soft materials at the solid-liquid interface

公式(3)為摩擦力Ff計(jì)算公式，其中μ為機(jī)器人與界面之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，N為接觸面的正壓力。公式(4)是基于JKR 理論的粘附力計(jì)算過程[37]，其中γΔ 為將兩相彼此分離所需的功（粘附功），R為接觸物的特征半徑。

生活在固-液界面的小型動(dòng)物通常使用強(qiáng)力或永久性粘附才能生存。更值得關(guān)注的是，它們可以通過可逆的粘附力進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)。例如海蛞蝓（圖1e）有時(shí)會(huì)暴露在海浪或空氣中，因此，其附著力必須足夠大，以承受強(qiáng)大的流體動(dòng)力[38]。扁腸蟲（圖1f）附著在沙子上，以抵抗水和潮汐的作用，然而它在1 min 內(nèi)顯示出對(duì)各種表面的多次粘附和脫離循環(huán)，它是通過馬蹄形的乳頭狀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，使用了大約130 個(gè)粘合器官[39]。帽貝（圖1g）生活在海邊，通過腳掌底的強(qiáng)力粘合（粘合強(qiáng)度介于0.1～1.1 MPa 之間）來抵御海浪、風(fēng)和掠食性動(dòng)物，并且會(huì)根據(jù)用途分泌不同的膠水，用來運(yùn)動(dòng)或固定附著[40]。除了粘附以外，可通過吸力機(jī)制來控制水下附著。Kang 等[41]研究了一種水生昆蟲幼蟲的附著，該幼蟲使用肌肉驅(qū)動(dòng)的吸吮器官附著在洪流中的巖石上，同時(shí)研究了瞼球抽吸器官的性能和多功能性，并介紹了一種新的研究系統(tǒng)來探索生物抽吸。抽吸比化學(xué)粘合及其隨后的釋放要快得多，它需要一個(gè)被動(dòng)或主動(dòng)的抽吸機(jī)構(gòu)，將抽吸器官與表面接觸，可以很容易地進(jìn)行粘附，然而釋放機(jī)制可能較復(fù)雜。另外，水下粘附可以依靠空氣毛細(xì)管橋，葉甲蟲（圖1h）將空氣困在水下，其粘合墊的疏水固定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了穩(wěn)定的空氣殼，可使要粘合的表面潤濕，并在粘合墊與表面之間形成一個(gè)連續(xù)的或多個(gè)空氣毛細(xì)管橋，這使甲蟲可逆地附著在水下的固體表面，并增強(qiáng)附著力，這樣就可以克服浮力在水下的固體表面行走[28]。

1.3 固-氣界面

當(dāng)機(jī)器人在固-氣界面運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要受到摩擦和干粘附作用的影響。在生物界中，有很多動(dòng)物生活在固-氣界面，如蛇（圖1i）和蜥蜴等爬行類動(dòng)物常年生活在干燥的環(huán)境中。研究表明蛇皮表面具有復(fù)雜的摩擦改性納米結(jié)構(gòu)，其引起了接觸區(qū)域粘合力的顯著降低，這些局部接觸點(diǎn)的低表面附著力，可以減少局部磨損和環(huán)境碎片對(duì)皮膚的污染。微原纖維的高度非對(duì)稱“棘爪狀”輪廓曲率半徑為20～40 nm，會(huì)導(dǎo)致向前和向后運(yùn)動(dòng)中的摩擦各向異性，并充當(dāng)向后運(yùn)動(dòng)的有效止動(dòng)器，保持向前運(yùn)動(dòng)的低摩擦。貫穿蛇皮的連續(xù)微孔系統(tǒng)可以用作潤滑、抗粘脂質(zhì)混合物的輸送系統(tǒng)，從而為蛇皮提供邊界潤滑[42]。這種可以自適應(yīng)改變表面摩擦性能的特點(diǎn)受到了學(xué)者們的廣泛研究[43]，對(duì)于軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的提升具有重要的作用。受到蛇皮在軟體表面摩擦系數(shù)（COF）較低的啟發(fā)，Wang 等[44]開發(fā)出了具有低COF 的彈性體，這些彈性體在不犧牲其體積順應(yīng)性和延展性的情況下，COF從1.6 降低到了0.1，可廣泛應(yīng)用于軟體機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)等不適合潤滑的場景。大多數(shù)壁虎（圖1j）幾乎可以在任何類型的表面快速附著和分離，這種能力歸因于它們腳底的分層結(jié)構(gòu)形成了具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的粘合劑系統(tǒng)。腳部的刮鏟狀結(jié)構(gòu)同時(shí)符合微米級(jí)和納米級(jí)的凹凸，可實(shí)現(xiàn)較大的真實(shí)接觸面積，因此壁虎可以通過范德華力[45]和其他類型的因素（例如表面性質(zhì)[46]、毛細(xì)力[47]、靜電引力[48]、酸堿相互作用[49]等）粘附到不同的表面。Linghu 等[50]受蚜蟲（圖1k）啟發(fā)，設(shè)計(jì)了由磁驅(qū)動(dòng)的快速可調(diào)和、可逆的粘合機(jī)制。粘合劑填充有磁性粒子，可通過調(diào)整磁場大小，從而調(diào)整附著力，具有出色的可切換性和快速響應(yīng)能力。粘附機(jī)制的研究對(duì)探索機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式有重要的指導(dǎo)意義，尤其對(duì)攀爬機(jī)器人的研究起到了重要的作用[51]。

潤濕、動(dòng)態(tài)粘附、可調(diào)節(jié)的各向異性摩擦等性質(zhì)決定了水黽、葉甲蟲、蛇等動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)場景、運(yùn)動(dòng)能力以及生活習(xí)性，這說明運(yùn)動(dòng)能力對(duì)生物體的環(huán)境適應(yīng)性具有重大影響。因此，在機(jī)器人設(shè)計(jì)中必須首先規(guī)劃好機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，才能提高其環(huán)境適應(yīng)能力。潤濕的性質(zhì)啟示人們可以將機(jī)器人的足部超疏水化，以排除水對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的干擾，這方面學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究[52-54]。除此之外，可以在機(jī)器人表面設(shè)計(jì)潤濕梯度，這樣可以用最簡單的方式為機(jī)器人提供動(dòng)力。動(dòng)態(tài)粘附主要包括干粘附和濕粘附，除了研究粘附劑和干粘附表面之外，可以通過研究粘附動(dòng)態(tài)切換的過程（主要是生物抽吸過程），并與機(jī)器人、微流體等結(jié)合，通過仿生工程設(shè)計(jì)仿生抽吸粘附動(dòng)態(tài)切換機(jī)制。蛇皮表面具有可調(diào)節(jié)的各向異性，使得蛇表面的摩擦性質(zhì)可以動(dòng)態(tài)切換，根據(jù)這一思想，可以對(duì)機(jī)器人的表面進(jìn)行特殊處理，并使其動(dòng)態(tài)可改變，幫助機(jī)器人適應(yīng)不同的生存環(huán)境。

2 多相界面上的磁控機(jī)器人

小尺度機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)工程（藥物靶向遞送、微創(chuàng)介入診療）、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)難救援等領(lǐng)域具有重要意義，受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，小尺度機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方法主要包括物理驅(qū)動(dòng)、化學(xué)驅(qū)動(dòng)、生物驅(qū)動(dòng)三類，主要的物理驅(qū)動(dòng)方法包括電驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng)、聲驅(qū)動(dòng)、壓力驅(qū)動(dòng)等，其中利用磁場操縱的小尺度機(jī)器人具有極大的的優(yōu)勢，主要包括遠(yuǎn)程可操縱、無燃料驅(qū)動(dòng)、形態(tài)可重構(gòu)等[18,55-57]。為了進(jìn)一步提升磁控小尺度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，可以從小型動(dòng)物的界面行為中獲得啟發(fā)，通過界面技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得最優(yōu)的性能。

2.1 界面上運(yùn)動(dòng)的磁控機(jī)器人

受自然界啟發(fā)，近些年人們逐步開展了基于仿生的小尺度機(jī)器人的研究，并將其應(yīng)用于涉及不同復(fù)雜界面的環(huán)境和工程中，已經(jīng)取得了較大的研究成果。Sitti 等[58]制備了小尺度的磁控軟體機(jī)器人，該機(jī)器人可以在水面（液-氣界面）、固體表面等環(huán)境中自由地爬行、翻滾、游動(dòng)，能夠執(zhí)行貨物運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)（圖4a），且使用組合運(yùn)動(dòng)模式還可以在合成胃體模中進(jìn)行藥物運(yùn)輸，具有極強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力。Shen 等[59]研發(fā)出了仿生多足毛蟲的微型軟體機(jī)器人，其有數(shù)以百計(jì)、長度少于1 mm 且柔軟如毛發(fā)的尖腿（圖4b）。該設(shè)計(jì)大幅減少了足底與表面的接觸面積，進(jìn)而降低了摩擦，使其能夠在干燥或潮濕的環(huán)境中行走（固-液-氣復(fù)雜界面）。Li 等[60]研制出了一種仿生材料，其本身可作為一種軟體機(jī)器人，能夠在水下環(huán)境（固-液界面）中行走，完成拾取和運(yùn)輸物體等任務(wù)（圖4c），通過磁場和光驅(qū)動(dòng)，精確度和敏捷性都得到很大提升，其前進(jìn)速度達(dá)到了每秒一步。Nelson 等[61]受到千足蟲等生物的啟發(fā)，制備了一種帶有柔性纖毛的可編程同步起伏的磁性軟體機(jī)器人（圖4d）。通過拉伸機(jī)器人使其符合各種三維幾何形狀，機(jī)器人上的復(fù)雜磁化輪廓隨后將在動(dòng)態(tài)磁場下轉(zhuǎn)換為同步波形，使得機(jī)器人可以在固體表面（固-氣界面）像千足蟲一樣行走，并且可以進(jìn)行貨物運(yùn)輸。此外，Ren 等[62]受缽水母碟狀幼體啟發(fā)，設(shè)計(jì)并制造了一種僅有幾毫米大小的機(jī)器人（圖4e），將一個(gè)磁性復(fù)合彈性體核與8個(gè)可彎曲垂瓣連接在一起，施加振蕩磁場后，這些垂瓣便會(huì)收縮再恢復(fù)。該仿生機(jī)器人能夠在水下（液相）環(huán)境操控其周圍的水流動(dòng)，完成一系列任務(wù)。

圖4 磁控機(jī)器人在界面的運(yùn)動(dòng)Fig.4 The locomotion of the magnetic robot on different interfaces: a) a soft robot that locomotes on the liquid-gas interface,solid-gas interface, and solid-liquid-gas interface[58]; b) a multi-legged robot walking on the solid-liquid-gas three-phase interface[59]; c) a hydrogel robot walking on the solid-liquid interface[60]; d) a mimic millipede robot walking on the solid-gas interface[61]; e) bionic jellyfish robot swimming in liquid environment[62]

此外，液滴在日常生活中很常見，但是它們對(duì)于許多自然現(xiàn)象以及工業(yè)過程都極為重要，近年來液體形態(tài)的機(jī)器人因其可變形、可重構(gòu)等特性受到了廣泛的關(guān)注，一些人認(rèn)為液滴可以被視為具有生命系統(tǒng)的液體機(jī)器人[63]。通過配置不同的液滴機(jī)器人能夠便于研究機(jī)器人與界面的接觸過程，目前磁控液滴機(jī)器人受到了廣泛關(guān)注[64]。Xie 等[65]提出了可重構(gòu)的多功能鐵磁流體液滴機(jī)器人（圖5a），通過編程外部磁場來控制多個(gè)鐵磁流體液滴的可重構(gòu)大變形和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，采用此機(jī)制可實(shí)現(xiàn)運(yùn)載液體貨物、有效變形和靈活處理易碎物等功能。Sun 等[66]提出了一種復(fù)合液態(tài)金屬液滴機(jī)器人，其通過將中空的球形磁性內(nèi)部框架組裝到液態(tài)金屬小滴中而制成（圖5b），通過電場和磁場的相互作用實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，如跳躍、攀登等。Fan等[67]制備了一種由鐵磁流體小滴組成的液體微型機(jī)器人，不僅可通過伸長穿過狹窄的通道，還可以重組為各種功能性的液體機(jī)器人集合體（圖5c），響應(yīng)多地形表面或執(zhí)行各種復(fù)雜的任務(wù)。Li 等[68]提出了一種可以對(duì)液滴進(jìn)行多次可編程操縱的磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人（圖5d），其可調(diào)結(jié)構(gòu)重新分配了來自液滴前端和后端的阻力。機(jī)器人可以用來運(yùn)輸、分裂、釋放和旋轉(zhuǎn)液滴，普遍適用于在惡劣環(huán)境中處理各種流體。

圖5 幾種不同的磁控液滴機(jī)器人Fig.5 Several different magnetic controlled droplet robots: a) deformation and movement of the ferrofluid droplet robot[65]; b) the transportation behavior of the composite liquid metal droplet robot[66]; c) multi-state deformation and rapid motion of multifunctional ferrofluid droplet robot[67]; d) manipulation mechanism and transportation behavior of a magnetically driven droplet manipulating robot[68]

2.2 磁控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理

磁性驅(qū)動(dòng)是通過遠(yuǎn)程施加的磁場（圖6）在嵌入磁體或由可磁化材料制成的磁性機(jī)器人上施加力或扭矩來實(shí)現(xiàn)的。由于操縱區(qū)域中不存在電流，因此準(zhǔn)靜態(tài)磁場可以用麥克斯韋方程（式(5)）來描述[69]：

式中，B為外部磁場，?為梯度算子，B的梯度矩陣是對(duì)稱矩陣且B的跡為零。如圖6a 所示，當(dāng)磁性機(jī)器人處于非均勻磁場中時(shí)，存在磁力f（公式(6)）；在均勻磁場中（圖6b），磁性機(jī)器人的磁化強(qiáng)度與磁場方向之間發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，磁轉(zhuǎn)矩τ（公式(7)）作用在磁性物體m上；當(dāng)磁性機(jī)器人分別施加非均勻磁場和均勻磁場時(shí)（圖6c），可以形成推進(jìn)和轉(zhuǎn)向兩種機(jī)制，從而提升機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性。

圖6 電磁相互作用Fig.6 Electromagnetic interaction: a) pure torque under a uniform magnetic field; b) pure force under a nonuniform magnetic field; c) combination of force and torque under dynamic magnetic field

目前，通過磁場的產(chǎn)生形式可以將推進(jìn)方式分為電磁體磁場推進(jìn)和永磁體磁場推進(jìn)兩大類，其中電磁推進(jìn)根據(jù)驅(qū)動(dòng)力以及機(jī)器人結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同，可分為磁梯度推進(jìn)、螺旋推進(jìn)以及通過身體起伏的擺動(dòng)推進(jìn)。在電磁梯度推進(jìn)方面，Niu 等[70-73]開發(fā)了基于磁梯度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人操縱。在后續(xù)的優(yōu)化中，通過參數(shù)優(yōu)化得到了更大的操作空間，通過優(yōu)化鐵芯的形狀和探頭的尺寸，進(jìn)一步增加了聚焦區(qū)域的梯度，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在不同的體外環(huán)境（純凈水、人工腦脊液、小鼠血液、血管模型等）以及體內(nèi)環(huán)境（斑馬魚蛋黃）中，能夠成功地驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人。Kim 等[74]報(bào)告了非牛頓流體中旋轉(zhuǎn)球形微粒的自發(fā)非對(duì)稱推進(jìn)，證明了球體旋轉(zhuǎn)軸上存在兩個(gè)相等且相反的推進(jìn)狀態(tài)，驗(yàn)證了這些球形微粒的推進(jìn)機(jī)制。Irving 等[75]在先導(dǎo)動(dòng)物研究中，通過應(yīng)用0.5 T/cm 的磁性梯度，將磁性納米顆粒運(yùn)輸?shù)酱竽X嗅球中，使用4.7 T 的核磁共振系統(tǒng)，可以輕松檢測到納米顆粒濃度的增加，其潛在應(yīng)用包括遞送藥物，以改善癲癇。

在磁控螺旋推進(jìn)方面，Nelson 等[76]受細(xì)菌鞭毛啟發(fā)，報(bào)告了人工細(xì)菌鞭毛，它由一段螺旋形尾巴和一段細(xì)軟磁頭組成，可由三個(gè)正交電磁線圈進(jìn)行精確地推動(dòng)。Tottori 等[77]受茸毛啟發(fā)提出了具有正交附件的人工螺旋微游泳器，其帶有垂直于主突鞭毛的乳突，拍打并傳播正弦波后，乳突跟隨鞭毛運(yùn)動(dòng)，并保持它們與鞭毛的正交方向。Ceylan 等[78]報(bào)告了一種基于水凝膠由磁力驅(qū)動(dòng)的可降解的推進(jìn)器，并設(shè)計(jì)了一種雙螺旋結(jié)構(gòu)，可在旋轉(zhuǎn)磁場中實(shí)現(xiàn)大量貨物的裝載和游泳功能。高度多孔的水凝膠網(wǎng)絡(luò)可以有效地隔離大量治療和診斷貨物，并通過響應(yīng)各種輸入信號(hào)來釋放。Zhang 等[79]提出了一種多孔的空心微游泳器，其具有由磁納米顆粒聚集的中孔紡錘狀外殼和螺旋形內(nèi)腔，成功構(gòu)建了多孔空心結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超高比表面積的表面功能化，并實(shí)現(xiàn)了基于擴(kuò)散的貨物裝卸。Xin 等[80]提出了一種新型的錐形中空式微螺旋，并開發(fā)了一種使用飛秒渦旋光束，快速制造具有可控制參數(shù)微螺旋的制備技術(shù)。與平直的微螺旋相比，錐形微螺旋的向前游動(dòng)能力提高了50%，橫向漂移減小了70%。

在磁控?cái)[動(dòng)推進(jìn)方面，Harmatz 等[78]將較大的鐵磁微球與指定距離上較小的非磁性微球組成微游泳器，通過外部磁場驅(qū)動(dòng)的膨脹和收縮，實(shí)現(xiàn)了對(duì)游泳器形狀的瞬時(shí)控制。在振蕩磁場中，相同的微游泳器在126 s 內(nèi)收縮并移動(dòng)了(58.8±0.7) μm。Sun 等[81]提出了一種基于磁性水凝膠的生物可降解微游泳器，其具有四個(gè)剛性段，每個(gè)剛性段都通過彈簧連接到后續(xù)段，以實(shí)現(xiàn)起伏。在外部振蕩磁場作用下，微游泳器可以實(shí)現(xiàn)波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并在低雷諾數(shù)范圍內(nèi)，沿外部磁場引導(dǎo)的方向移動(dòng)。Liao 等[82]提出了一種仿魚類電磁推進(jìn)微游泳器，該微游泳器像自然魚一樣包含頭和尾鰭，尾鰭表面沉積有鎳。當(dāng)施加振蕩均勻磁場時(shí)，尾鰭產(chǎn)生振蕩，推進(jìn)微游泳器向前運(yùn)動(dòng)。

永磁體磁場推進(jìn)主要是通過外部機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)永磁體在空間中運(yùn)動(dòng)，通過產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化的磁場驅(qū)動(dòng)機(jī)器人爬行。在Shen 等[59]設(shè)計(jì)的磁控機(jī)器人操縱平臺(tái)中，將帶有永磁體的曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)安裝在在二維移動(dòng)平臺(tái)上，通過曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)永磁體運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場驅(qū)動(dòng)機(jī)器人變形運(yùn)動(dòng)，二維平臺(tái)跟隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。目前，電磁致動(dòng)系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、可控性好等特點(diǎn)成為人們研究磁控機(jī)器人常用的設(shè)備。

梯度推進(jìn)、螺旋推進(jìn)以及擺動(dòng)推進(jìn)能夠很好地驅(qū)動(dòng)在液體環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，當(dāng)機(jī)器人處于界面時(shí)，其運(yùn)動(dòng)能力將受到限制，通過研究小型動(dòng)物在界面的行為，將有助于尋找更加有效的，以磁控手段為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提高磁控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力。

2.3 磁控機(jī)器人結(jié)構(gòu)形態(tài)

與大型機(jī)器人不同，在小尺度機(jī)器人中進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建是極其困難的，尤其是在微納尺度方面，加工和裝配都非常困難。因此，對(duì)于小尺度機(jī)器人，只能通過簡單的結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)特定的功能。在此基礎(chǔ)上，可以通過綜合優(yōu)化機(jī)器人形態(tài)、材料、控制等設(shè)計(jì)參數(shù)，從而得到最優(yōu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

近年來，研究者對(duì)小尺度磁控機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)出了一批具有特定功能的軟體機(jī)器人。Shen 等[59]制備了多足狀軟體機(jī)器人（圖7a），能夠以每秒40 倍肢長在不同環(huán)境中爬行，可以執(zhí)行膠囊藥物運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，運(yùn)載超過自身質(zhì)量100 倍的貨物和越過超自身十倍高度的障礙物。Xu 等[83]制備了一種三角片狀軟體機(jī)器人（圖7b），該機(jī)器人具有三角頭尾形態(tài)，并進(jìn)行了正弦磁化，能夠以橫向起伏的形式移動(dòng)，機(jī)器人可以在流體內(nèi)自由游動(dòng)，也可通過調(diào)整振幅在各種密閉空間中游動(dòng)。Joyee 等[84]受尺蠖啟發(fā)制備了一種仿毛毛蟲形軟體機(jī)器人（圖7c），該機(jī)器人的步幅為5 mm，約為身體長度的八分之一，線速度為1.67 mm/s；光滑表面的最大承載能力為5.95 g，約為其自身質(zhì)量的30 倍，此外，它能夠承受其質(zhì)量1.5 倍的負(fù)載，在45°傾斜的表面穩(wěn)定爬升。Tracy 等[85]制備了一種可重構(gòu)、可遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人（圖7d），該機(jī)器人在形狀記憶聚合物中嵌入直徑為4 μm的鐵顆粒，能夠同時(shí)進(jìn)行磁致動(dòng)和光熱致動(dòng)，研究中演示了包括懸臂、花朵、螺旋、抓斗和雙穩(wěn)態(tài)卡扣等形態(tài)，證明了這些材料的響應(yīng)和可重構(gòu)性。Wie 等[86]制備了螺旋狀軟體機(jī)器人（圖7e），機(jī)器人能夠以每秒60 倍體長的速度游泳，其分級(jí)磁致動(dòng)性適用于各種運(yùn)動(dòng)，如樓梯、坡道攀爬，水下、水上游泳等。除此之外，該機(jī)器人能夠以集群模式運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸。Cai 等[87]提出了一類由鐵磁流體制成的磁性軟體機(jī)器人（圖7f），通過整合運(yùn)動(dòng)和主動(dòng)變形，證明了該軟體機(jī)器人具有執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)（例如穿越狹窄環(huán)境和運(yùn)輸多個(gè)物體）的能力。

圖7 磁控軟體仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.7 Magnetically controlled software bionic robot designed by each research group: a) multi-legged robot[59]; b) triangular robot[83]; c) multi-node robot[84]; d) butterfly robot[85]; e) spiral robot[86]; f) magnetic fluid droplet robot[87]

Zhao 等[88]制備了一種亞毫米級(jí)、自潤滑的軟體機(jī)器人，該機(jī)器人具有基于磁驅(qū)動(dòng)的全向操縱和導(dǎo)航功能，能夠在復(fù)雜且受限的環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航，如具有多個(gè)動(dòng)脈瘤的曲折腦血管。此外，還能通過集成在身體中的功能核心進(jìn)行可控激光傳輸。Chautems 等[89]提出了一種具有可變剛度的磁性連續(xù)裝置，其尖端被精確地成形并利用外部磁場進(jìn)行控制。Choi 等[90]面向彌散性血管內(nèi)凝血的治療，研發(fā)了一種引導(dǎo)軟體機(jī)器人，機(jī)器人連接到導(dǎo)絲的尖端進(jìn)行引導(dǎo)操作，并在冠狀動(dòng)脈的三維體模中測試了帶有該機(jī)器人的導(dǎo)絲，能夠?qū)崿F(xiàn)3D 空間內(nèi)的高精度控制。Gu 等[91]提出了一種磁性四極模塊，該模塊能夠形成具有任意2D 形狀的磁性組件。每個(gè)模塊都有一個(gè)可調(diào)的磁偶極矩，可通過調(diào)節(jié)單個(gè)模塊的磁偶極矩對(duì)整體磁化進(jìn)行編程。通過簡單的組合設(shè)計(jì)，可同時(shí)達(dá)到任意形狀和任意磁化強(qiáng)度的控制。該模塊對(duì)可以用于軟體機(jī)器人進(jìn)行模塊化的編程組裝，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。Yang等[92]提出了一種基于超軟、超彈性磁性DNA 水凝膠的軟機(jī)器人，具有組合的動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，具有剪切稀化和循環(huán)應(yīng)變特性，在適應(yīng)環(huán)境變化后，可恢復(fù)其形狀，能夠在有限的空間內(nèi)輸送細(xì)胞。Misra 等[93]設(shè)計(jì)了四種毫米規(guī)模的軟體機(jī)器人（蠕蟲、海龜、四足動(dòng)物和千足蟲），并研究了它們?cè)谕獠看艌鱿碌闹聞?dòng)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度在0.15～0.37 mm/s，并且能夠穿越不平坦的地形。Wu 等[94]提出了一種矩形狀軟體毫米機(jī)器人，其頭部和尾部具有磁驅(qū)動(dòng)功能，該機(jī)器人顯示出了強(qiáng)大的多峰運(yùn)動(dòng)能力，包括可控和可變形的爬行、擺動(dòng)和滾動(dòng)，且具有出色的螺旋推進(jìn)能力和越障能力，能夠螺旋式越過超過兩個(gè)體長的障礙物，在2 mm高的隧道內(nèi)爬行以及在450 μm 寬的通道內(nèi)擺動(dòng)。

相比于小型動(dòng)物，目前已開發(fā)的磁控軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、功能單一，執(zhí)行特定任務(wù)的能力還有待提高。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，小型動(dòng)物大都具有較長的可疏水的腿以及光滑可粘附的表面，因此設(shè)計(jì)可控的粘液釋放機(jī)制就具有極高的研究價(jià)值。

3 磁控機(jī)器人的制備技術(shù)

天然生物將變形轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的能力吸引了研究人員在構(gòu)建仿生致動(dòng)器和智能系統(tǒng)方面越來越多的關(guān)注。作為功能材料的典型類別，由撓性彈性體基質(zhì)和磁性顆粒組成的磁響應(yīng)復(fù)合彈性體，由于響應(yīng)于施加的磁場方向和強(qiáng)度而動(dòng)態(tài)變化，因此在該研究領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用。目前已經(jīng)開發(fā)出了多種有效的制備方法用于加工基于磁響應(yīng)復(fù)合彈性體的磁驅(qū)動(dòng)仿生致動(dòng)器，以在某些特定領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)特定功能（表1）。在磁場控制下，仿生致動(dòng)器不僅可以產(chǎn)生隨時(shí)間變化的變形，還可以在多種環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，這為目標(biāo)抓取和定向運(yùn)輸提供了新的可能性[95]。

表1 小尺度磁控機(jī)器人制備方法Tab.1 Manufacturing methods of small-scale magnetic robots

Zhao 等[96]提出了在軟材料中對(duì)鐵磁疇進(jìn)行編程的的墨水直寫打印方法（圖8a），該方法基于包含鐵磁微粒的彈性復(fù)合材料的墨水直寫，在打印時(shí)向噴嘴上施加磁場，以重新定向粒子，從而將圖案化的磁極性賦予機(jī)器人。Diller 等[97]提出基于紫外光刻技術(shù)（圖8b），通過磁性粒子的重新定向和選擇性曝光，在平面材料中對(duì)磁性粒子進(jìn)行編碼。Ma 等[98]提出了磁性多材料打印技術(shù)（圖8c），通過磁性形狀記憶聚合物和磁性軟材料的集成3D 打印，從而設(shè)計(jì)出一系列具有多峰變形的機(jī)器人。Sitti 等[99]提出熱輔助3D磁性編程（圖8d），在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中嵌入磁性CrO2粒子，并將其加熱超過居里溫度，在冷卻過程中施加外部磁場，使磁化方向重新定向。

圖8 磁控機(jī)器人制備技術(shù)Fig.8 Magnetic robot preparation technology: a) ink direct writing printing method[96]; b) UV lithography[97]; c) magnetic multi-material printing technology[98]; d) thermally assisted 3D magnetic programming[99]; e) preparation technology of reprogrammable magnetoelastic body[100]; f) Surface spray[101]; g) 4D printing[102]; h) semi 3D printing[103]

Kim 等[100]開發(fā)了可重編程磁化強(qiáng)度的軟磁復(fù)合材料制備技術(shù)（圖8e），可在不改變嵌入的磁性顆粒的固有磁性或基體材料的分子性質(zhì)的情況下，重新編程磁化曲線。Shen 等[101]提出通過使用復(fù)合磁性噴霧劑噴涂物體表面，來構(gòu)造小尺度機(jī)器人（圖8f），使各種對(duì)象覆蓋磁驅(qū)動(dòng)膜（厚度約100～250 μm），從而在磁場的作用下爬行、行走和滾動(dòng)等。Jiang 等[102]提出了一種4D 打印策略（圖8g），將傳統(tǒng)3D 注射打印與基于折紙的磁化技術(shù)相結(jié)合，可輕松制造具有3D 圖案化磁化輪廓的磁活性軟材料對(duì)象。Sun 等[103]提出了一種用于制造磁性驅(qū)動(dòng)的微型軟機(jī)器人的半自動(dòng)化微型3D 打印系統(tǒng)（圖8h），打印材料放在單獨(dú)的打印針中，可以在打印過程中快速填充和更換，多種磁性材料驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人可以使用此3D 打印系統(tǒng)進(jìn)行打印。

目前的制備技術(shù)只能制備一些功能結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的機(jī)器人，想要在界面上完成更多的任務(wù)，就必須在加工過程中，在機(jī)器人體內(nèi)集成更多的致動(dòng)方式，通過不同的刺激響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多模多態(tài)的運(yùn)動(dòng)，這就要求新的加工方式的產(chǎn)生，在這方面，3D 打印技術(shù)有望為磁控機(jī)器人的制備提供更多的解決方案。

4 磁控機(jī)器人的控制技術(shù)

不受束縛、可控制的移動(dòng)微型機(jī)器人應(yīng)用范圍很廣，包含微觀操縱、體外任務(wù)（例如微尺度生物物質(zhì)的操作）以及體內(nèi)應(yīng)用（例如靶向藥物遞送、近距離放射治療、熱療等）。由于它們的規(guī)模小，并且可以訪問狹窄而復(fù)雜的環(huán)境，研究人員已經(jīng)使用了不同的磁致動(dòng)系統(tǒng)，通過開環(huán)預(yù)編程控制、閉環(huán)路徑跟隨控制等運(yùn)動(dòng)控制方法（如圖9），來致動(dòng)微型機(jī)器人[104]。

圖9 磁控軟體機(jī)器人控制方法[104]Fig.9 Magnetic soft robot control method[104]

柔性的磁控機(jī)器人具有超彈性本體，其本構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜，目前已提出的本構(gòu)模型主要包括：多項(xiàng)式模型（公式(8)）、Mooney-Rivlin 模型（公式(9)）、Neo-Hookean 模型（公式(10)）、Yeoh 模型、Ogden模型、Arruda-Boyce 模型、Vander-Waals 模型等[105-106]，這些模型都是通過應(yīng)變能來描述應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，能夠正確反映特定條件下部分超彈性體的本構(gòu)關(guān)系。即便如此，這種本構(gòu)關(guān)系的描述依舊非常困難，因此也有更多其他的建模方法被提出。Diller 等[107]基于Euler-Bernoulli 梁對(duì)均勻磁場中的軟體機(jī)器人進(jìn)行了建模，使用Matlab 建立了迭代數(shù)值算法，來預(yù)測機(jī)器人隨著形狀變化而不斷變化的作用力和扭矩，設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的比例反饋控制器。Yang等[108]分析了微游泳機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和磁場的變化，建立了機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，分析得到了游泳者的彎曲程度與磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系，進(jìn)而分別分析了頻率、磁場強(qiáng)度和游泳速度之間的關(guān)系。

除了有模型的控制方法外，無模型的控制方法也隨著人工智能的興起而受到人們的關(guān)注[109]。Sun 等[73]提出了在心血管環(huán)境中使用無模型方法對(duì)微型機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航控制的方法，微型機(jī)器人在血管中移動(dòng)時(shí)無需了解血流速度分布。Xu 等[110]提出了一種基于圖像的視覺伺服、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的無模型方法，將在圖像空間中提取的特征作為反饋用于機(jī)器人的導(dǎo)航控制。Nelson 等[111]分析了低雷諾數(shù)下局部流變對(duì)游泳的影響，確定了在運(yùn)動(dòng)中使用彈性流體動(dòng)力耦合的本構(gòu)關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)證明，在沒有板載傳感器的情況下，磁性微游泳器與流體的動(dòng)態(tài)耦合能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)。Sitti 等[112]提出使用貝葉斯優(yōu)化和高斯過程，將概率學(xué)習(xí)方法用于毫米尺度的磁性機(jī)器人中，提供了一種數(shù)據(jù)有效的學(xué)習(xí)方案。Pietro 等[113]提出一種自適應(yīng)控制技術(shù)，對(duì)參數(shù)不確定性和未知的有界擾動(dòng)具有魯棒性，可以在部分了解動(dòng)力學(xué)的情況下，使內(nèi)窺鏡懸浮，以獲得更高的推進(jìn)速度。

另外，在小尺寸機(jī)器人微操作方面，Yoon 等[114]提出了一種混合式微型夾鉗，用超聲波觸發(fā)微型夾鉗的開閉，用磁場驅(qū)動(dòng)微鉗運(yùn)動(dòng)，該微型夾鉗可在水性迷宮環(huán)境中對(duì)生物鮭魚卵進(jìn)行主動(dòng)和安全的拾取和放置。Li 等[115]制備了一種磁控pH 響應(yīng)水凝膠軟體機(jī)器人，該機(jī)器人能夠在磁場驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行移動(dòng)，通過調(diào)節(jié)不同的pH 值，可以使微型夾鉗張開或閉合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物的抓捕與釋放。Wang 等[12]提出了使用熱、磁致動(dòng)的微型機(jī)器人進(jìn)行治療劑的靶向運(yùn)輸，可在熱驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生膨脹，進(jìn)而釋放藥物。Lee 等[116]提出通過紅外刺激，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的溶脹來釋放抗癌藥物。Chung 等[117]提出在人體血管中利用氣泡的聲激發(fā)，將藥物攜帶、釋放和滲透到目標(biāo)組織中。

目前針對(duì)磁控軟體機(jī)器人的控制方法的研究不夠透徹，通過仿生研究可以得出，可通過控制粘附點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，以形成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；可通過反向模擬的方法，設(shè)計(jì)機(jī)器人控制策略，用控制的方式提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效能和設(shè)計(jì)合理性。

5 展望

機(jī)器人的小型化是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，研究昆蟲等小型動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性將對(duì)展開小尺度軟體機(jī)器人的研究具有重要意義?？梢灶A(yù)見，未來小尺度軟體機(jī)器人發(fā)展空間巨大，其將不斷朝著小型化、集成化、多功能等方向發(fā)展，將在生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)難救援等領(lǐng)域產(chǎn)生極高的應(yīng)用價(jià)值。

在磁控機(jī)器人仿生材料設(shè)計(jì)方面，使用超疏水材料可以開發(fā)出具有不同功能的在固-液界面運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，例如使用超親油疏水材料的機(jī)器人可用于在水環(huán)境中提取油，進(jìn)而起到凈化水質(zhì)、能源回收等作用。小型動(dòng)物的粘附行為可以啟發(fā)小尺度機(jī)器人積極調(diào)整粘附機(jī)制，可以更快地在表面移動(dòng)。生物功能表面可能會(huì)啟發(fā)具有新功能的小尺度機(jī)器人，例如同時(shí)具有親水和疏水特性的復(fù)合材料表面或者具有浸潤性梯度的表面可能在機(jī)器人的定向運(yùn)動(dòng)或自組裝集群行為控制中有重要啟示。

在磁控仿生機(jī)器人制備方面，已有的小尺度機(jī)器人加工手段非常有限，例如光刻等手段只能制備結(jié)構(gòu)比較簡單的二維結(jié)構(gòu)，對(duì)于三維結(jié)構(gòu)的加工能力嚴(yán)重不足。目前來看，基于3D 打印的制備方法使許多小尺度機(jī)器人的快速設(shè)計(jì)和制備成為可能，而無需昂貴的工具、模具和光刻掩模。由于可打印材料的范圍在不斷擴(kuò)大，能夠在各種長度范圍內(nèi)對(duì)它們的組成和體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，3D 打印正在推動(dòng)無數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新。生物啟發(fā)性復(fù)合材料、形狀變形系統(tǒng)、柔性傳感器和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展證明了這一點(diǎn)。然而，當(dāng)前的3D 打印仍然遭受有限的材料選擇、較差的制造精度和低產(chǎn)量的困擾。因此，應(yīng)不斷開發(fā)具有快速制造、高擴(kuò)展性和良好控制精度的先進(jìn)制造技術(shù)。

在磁控仿生機(jī)器人的控制方面，大多數(shù)小尺度機(jī)器人均為柔性，與剛性機(jī)器人不同，柔性機(jī)器人可被視為連續(xù)系統(tǒng)，具有無限多個(gè)自由度，雖然已經(jīng)提出了很多基于應(yīng)變能的本構(gòu)模型，但是建立精確的受控模型依舊是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。主要的解決方案有兩種：一是通過有限元方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真分析，建立基于有限元特征的受控模型；另一種解決方法是，采用無模型的控制策略，通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法，自主構(gòu)建無模型的機(jī)器人控制器。

目前，小尺度軟體機(jī)器人的研究已經(jīng)成為了全球科技工作者關(guān)注的焦點(diǎn)之一，雖然已經(jīng)取得了大量的科研成果，但是距離其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有相當(dāng)長的路要走。本綜述分析概述了運(yùn)動(dòng)在不同界面的小型動(dòng)物，著重概述了小尺度磁控機(jī)器人的相關(guān)要點(diǎn)，展望分析了仿生技術(shù)對(duì)促進(jìn)軟體機(jī)器人發(fā)展的有關(guān)方向，將為小尺度磁控機(jī)器人的發(fā)展提供更多靈感和仿生依據(jù)。