Technology | 可重构磁性粘液机器人

正文字数：2602字

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由哈尔滨工业大学和香港中文大学共同研发

Slime robot

【导语】

磁性微型软体机器人允许无创进入受限空间，并为微创手术，显微操作和靶向药物输送提供理想的解决方案。

然而，现有的弹性体基（硅胶）和流体基（铁流体或液态金属）磁驱动微型软机器人具有局限性。由于其变形性有限，基于弹性体的小型软机器人无法在高度受限的环境中导航。

相比之下，尽管基于流体的软机器人更能变形，但它们也受到流体本身不稳定形状的限制，因此对环境的适应性很差。

【技术概述】

本研究展示了非牛顿流体基磁驱动粘液机器人，既具有弹性体机器人的适应性，又具有流体机器人的可重构显著变形能力。机器人可以通过直径为1.5mm的狭窄通道进行谈判，并在复杂环境中在多个基板上进行机动。所提出的粘液机器人实现了各种功能，包括抓取固体物体，吞咽和运输有害物体，人体运动监控以及电路切换和修复。本研究提出了新型软体机器人的设计，并增强了它们在生物医学，电子和其他领域的未来应用。

看过电影《毒液》的朋友都知道，「共生体」以液体状的形式出现，即使被打成肉泥或是一滩水，只要有足够的时间也可以恢复。现在，具有这般强大修复功能的机器人出现了。

【技术详情】

史莱姆（Slime），一种黏稠滑嫩又富有弹性的物体，十分擅长变形，在奇幻作品里常常展现出令人叹为观止的魔力。回到现实，史莱姆脱去了超自然的光环，但它黏稠又富有弹性的物理属性依然存在，能屈能伸，捏上去的手感令人愉悦，也因此成为人类的玩具。

制作史莱姆时，最简单的配方就是聚乙烯醇（PVA）与硼砂的组合，再加上水。其中，PVA常用于制作增稠剂：这种高分子化合物中含有大量的羟基（-OH），与水相遇便会形成许多氢键，帮助增加粘稠度。一般来说，PVA聚合度越高，它的水溶液也越容易变得粘稠。

香港中文大学的研究团队开发Slime机器人时，也利用了同Slime一样的原理。只不过，他们在PVA和硼砂这两种原料之外，还加入了钕磁铁（neodymium magnet）颗粒。这样一来，一只单纯的史莱姆，就变成了可被操控的机器人。

「这种材料就像是水和淀粉的混合物，是一种非牛顿流体，其粘度会在外力作用下发生变化。当你快速触摸它时，它就像一个固体。当你轻轻地、慢慢地触摸它时，它就像液体一样。」

把一只直径9毫米的Slime机器人放在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基板上，基板下方4毫米处有一块永磁体，从机器人的正下方开始奔向远方。随着永磁体越跑越远，机器人的身躯也逐渐拉长，从那个直径9毫米的“球”，伸展为一条60毫米长的“蛇”，大约是自然长度的7倍。

修改永磁铁的运动轨迹，便令Slime机器人写完了港中大的缩写“CUHK”；又用COMSOL Multiphysics软件还原了史莱姆的拉伸过程。

Slime具备极好的拉伸性能，可以通过 1.5mm 的狭窄缝隙而不断裂。该研究在相同的磁场条件下，比较了铁磁流体液滴机器人和 Slime的拉伸能力。

Slime机器人诞生之后，科学家首先便要考验它的变形技能。通过从外部施加特定的磁场，让Slime机器人变成想要的形状。

团队先在模拟器里做了测试，圆形的铁磁体能让机器人变成圆形，更复杂的环形和六角星的形状，也都能依靠同样的方法来实现。

可任意变形以穿过狭窄的缝隙：

研究团队为Slime机器人设计了高难度的运动任务，首先就是狭窄通道。“游泳池”中的通道（上下不封口）直径从6毫米开始，缩窄到4.5毫米、3毫米，甚至1.5毫米。结果，机器人在磁铁的指引下成功游过了这4条通道。

在迷宫中穿梭：

第二项任务中，Slime机器人要穿行的通道变成了四周有壁的管道，且管中不再有液体，任务路径也不再是直线而是有了曲折。靠着磁铁的操控，1毫升大小（若换算成正方体，棱长约有10毫米）的机器人，轻松通过了直径仅5毫米的迂回管道。第三项任务更复杂，除了设置必经的通道，还额外添加了一些无用通道，从而形成一个“迷宫”，且有些路宽有些路窄。这一次，Slime机器人依旧与磁铁配合默契，到达终点。