深圳大學(xué)李輝《npj Flexible Electronics》：驅(qū)感一體仿生磁驅(qū)軟體機(jī)器人

來源：EFL生物3D打印與生物制造

軟體機(jī)器人技術(shù)近年來快速發(fā)展，因其出色的柔順性和環(huán)境適應(yīng)性，在醫(yī)療微創(chuàng)手術(shù)、工業(yè)管道檢測等狹窄空間作業(yè)中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有軟體機(jī)器人普遍面臨兩大技術(shù)瓶頸：一是傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式存在響應(yīng)速度慢、系統(tǒng)復(fù)雜等問題；二是受限于體積和材料特性，難以集成高靈敏度的環(huán)境感知功能，嚴(yán)重制約了其在復(fù)雜環(huán)境中的自主作業(yè)能力。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，國際學(xué)術(shù)界探索磁場驅(qū)動(dòng)等新型驅(qū)動(dòng)方式，以及仿生結(jié)構(gòu)與智能感知的融合設(shè)計(jì)。其中，模仿自然界生物（如尺蠖、毛蟲等）運(yùn)動(dòng)方式的軟體機(jī)器人因其移動(dòng)方式與性能備受關(guān)注。但如何在小尺度（毫米級(jí)）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與感知的一體化集成，同時(shí)保證制造精度和可靠性，仍是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

在此背景下，深圳大學(xué)李輝副教授聯(lián)合深圳北理莫斯科大學(xué)曾潤浩副教授、中山大學(xué)蔣樂倫教授、寧波大學(xué)金育安教授等團(tuán)隊(duì)，通過創(chuàng)新性地結(jié)合仿生學(xué)設(shè)計(jì)、磁驅(qū)動(dòng)力學(xué)和摩擦電傳感，成功開發(fā)出具有自主感知能力的驅(qū)感一體仿生磁驅(qū)軟體機(jī)器人。該研究突破了傳統(tǒng)軟體機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)效率和環(huán)境感知方面的限制，通過創(chuàng)新的微噴打印與磁場誘導(dǎo)協(xié)同制造工藝（CJM），實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)精密微錐結(jié)構(gòu)的快速成型，為下一代智能軟體機(jī)器人的發(fā)展提供了全新的技術(shù)路線。相關(guān)工作以“Magnetic soft millirobot with simultaneous locomotion and sensing capability”為題發(fā)表在《npj Flexible Electronics》。


研究內(nèi)容

1.仿生設(shè)計(jì)與多功能集成突破
研究通過深度解構(gòu)尺蠖生物運(yùn)動(dòng)機(jī)制，創(chuàng)新性地提出"磁性驅(qū)動(dòng)-摩擦電傳感"協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用仿生多足微錐矩陣作為核心功能單元，通過精確調(diào)控微錐參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了雙重功能突破：一方面作為運(yùn)動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，將負(fù)載能力提升至自重5.2倍；另一方面作為摩擦電增強(qiáng)單元，使輸出電壓達(dá)到7.92V。這種"一材雙效"的設(shè)計(jì)理念，成功解決了毫米級(jí)機(jī)器人空間受限條件下的功能集成難題（圖1）。

圖1：(a) 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 尺蠖與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為對(duì)比。

2.創(chuàng)新制造工藝：微噴打印與磁場誘導(dǎo)協(xié)同制造工藝
研究突破了軟體機(jī)器人精密制造的瓶頸，開發(fā)的協(xié)同噴射打印與磁感應(yīng)（CJM）技術(shù)融合了高精度噴射打印與動(dòng)態(tài)磁場成型兩大核心工藝，將傳統(tǒng)需要數(shù)小時(shí)的模板法制造過程縮短至數(shù)分鐘之內(nèi)，且無需復(fù)雜模具，制造成本降低80%，實(shí)現(xiàn)了微錐結(jié)構(gòu)的高度可控生長，為多功能軟體機(jī)器人的快速原型開發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)化制造平臺(tái)（圖2）。

圖2：CJM制造工藝及微錐矩陣的形態(tài)特征。

3.機(jī)器人雙重功能：同時(shí)運(yùn)動(dòng)與感知
研究構(gòu)建了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能感知系統(tǒng)，創(chuàng)新性地將微錐矩陣的接觸力學(xué)特性轉(zhuǎn)化為高靈敏度電信號(hào)，開發(fā)具有多尺度特征提取能力的時(shí)序感知網(wǎng)絡(luò)（TPN），建立動(dòng)態(tài)窗口采樣機(jī)制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地形分類。在5類典型地形測試中，系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)96.7%，響應(yīng)延遲<50ms，且經(jīng)過12000次循環(huán)測試后性能衰減<5%，滿足了移動(dòng)機(jī)器人對(duì)感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性要求（圖3）。

圖3：(a) 機(jī)器人在不同地形上的運(yùn)動(dòng)；(b) 地形識(shí)別信號(hào)輸出；(d) 機(jī)器學(xué)習(xí)分類結(jié)果。

研究結(jié)論
本研究創(chuàng)新性地提出了一種集運(yùn)動(dòng)與感知功能于一體的磁驅(qū)軟體毫米機(jī)器人系統(tǒng)，通過仿生多足微錐矩陣設(shè)計(jì)和摩擦電-磁驅(qū)協(xié)同作用機(jī)制，成功解決了傳統(tǒng)軟體機(jī)器人在小型化、功能集成和環(huán)境適應(yīng)性等方面的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，為下一代智能軟體機(jī)器人在工業(yè)檢測、醫(yī)療微創(chuàng)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了創(chuàng)新性的技術(shù)方案。該論文獲得國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目等科技項(xiàng)目支持。

論文標(biāo)題：Magnetic soft millirobot with simultaneous locomotion and sensing capability
期刊：npj Flexible Electronics
DOI：10.1038/s41528-025-00437-0