苏州大学开发终结者雏形「磁液滴机器人」，随意变换形状，还能分裂重组！

当机器人学会了分身变形术：

下一步是不是会幻化成人形，掏出枪成为终结者T-1000了。

这是由苏州大学、哈尔滨工业大学、德国马克斯普朗克研究所强强联合，开发的终结者雏形——磁液滴机器人！

这种机器人大小约为1厘米，由磁性氧化铁纳米颗粒组成的磁流体构成，具有优异的变形能力，可以利用磁场引导机器人移动或改变任意形状，自由穿梭在极端变化环境。

有趣的是，科学家还能利用磁场将这种机器人“分身”成一组可达微米级的机器人，再调整磁场又能将这些更微小的机器人重新组合在一起。

该机器人未来可用于微创生物医疗领域，如在人体中递送药物等。研究的相关成果发表在《Science Advances》（科学进展）中，文章标题为‘Scale-reconfigurable miniature ferrofluidic robots for negotiating sharply variable spaces’。

▍机器人「分身变形术」修炼指南

无线驱动的微型机器人有望突破传统机器人的局限，完成以往难以完成的任务，如递送药物，进行组织活检等等，尤其在微创医疗领域有着广阔的前景。但人体内部环境十分复杂，仅通过固定尺度的微型机器人，无法匹配如此复杂的环境。

受自然界中液滴行为的启发，科研人员首先提出了基于「磁流体液滴」制备具有大变形能力的机器人的想法。

磁流体的本质，是具有磁性的四氧化三铁纳米颗粒分散在液体中形成的稳定流体，因此既具有很好的磁控性，又具有液体的流动性，这是机器人学会“分身变形术”的基础。

接下来，为了实现高效控制，科研人员设计了一种新型的复合式磁驱动系统M3RA(Multiscale Magnetic Miniature Robot Actuation )，该装置集成了四个电磁体和一个球形永磁体，结构非常像中国传统文化中的龙戏珠造型。

这种磁控系统可以为机器人提供强大的磁场梯度力和磁扭矩，很好地控制机器人的拉伸方向和大小，兼容微米到厘米大小的跨尺度机器人控制。此外，与传统磁控线圈的封闭结构不同，M3RA结构非常紧凑具有典型的半开放式结构，能够更好地贴近操作对象而不用将整个操作对象纳入工作空间当中。

▍进阶挑战——运动路径追踪 + 分身独立控制

练完「分身变形术」后，想要让机器人在人体中递送药物，还得会“走路”和“认路”。

研究人员利用旋转磁场让机器人以滚动模式滚起来，来实现“走路”。

这还不够，还需要精确跟踪其路径，控制机器人的速度与位置让其学会“认路”。研究人员开发了一种基于视觉的闭环控制器，来跟踪其运动轨迹并进行误差分析，这种方法准确且可重复，能够快速稳定进行跟踪控制，路径偏差仅在机器人伸长的0.2 ± 0.152 以内。

使用该方法可让机器人仿佛开了上帝之眼一样，顺利通过迷宫：

“糟糕，卡住了”，立刻变换形状从狭缝中挤进去。

利用精准跟踪法，让机器人写出一个“龍”字：

为了更灵活的控制机器人运动，科研人员还实现了机器人“分身”后的「规模重新配置」，也就是独立控制机器人的其中一个或几个小分身，使其互不干扰。

独立控制“分身”具有重大意义，在急剧变化的空间中，例如人体的器官和组织，通道的横截面尺寸可能会发生显着变化。因此，微型机器人要实现体内应用，就必须应对这种情况。

▍微型&软体机器人技术的重要里程碑

该研究提出的磁液滴机器人代表了微型机器人技术和软体机器人技术的一个重要里程碑，审稿人也对论文给予了高度评价，认为该方法是液滴机器人领域的巨大进展（“This work is a significant advance in ferrofluid-based robots”）。

可以想象，该机器人能够在医疗应用中用作将药物运送到难以进入的身体部位（例如肺结节或大脑部位）的一种手段。研究人员承认，对于实际应用，该设计必须克服许多障碍，最明显的是开发一种能够准确穿透颅骨等骨骼的磁控制系统。

未来，该工作将集中于实现一些与生物医学相关的应用研究，例如基于 SMFR 的靶向货物输送、精确的局部磁热疗或肿瘤血管的选择性闭塞等。

与此同时，还有人指出，这样的机器人系统可能在芯片实验室设备中很有用，在这些设备中，化学过程用于执行病毒检测等任务，磁液滴机器人或许可以用来运送反应所需的化学物质。

该研究由苏州大学机电工程学院孙立宁教授、杨湛教授课题组、哈尔滨工业大学谢晖教授课题组以及德国马克斯普朗克智能系统研究所的Metin Sitti教授课题组联合开发，得到了江苏省自然科学基金、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、德国研究基金会等项目的资助。

论文传送门：DOI:10.1126/sciadv.abq1677

排版 | 麦子

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