美國(guó)麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程以及腦與認(rèn)知科學(xué)教授 Polina Anikeeva 在她的實(shí)驗(yàn)室里。（圖片來(lái)源：Steph Stevens/麻省理工學(xué)院麥戈文研究所）

由簡(jiǎn)單磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新型軟體機(jī)器人十分適合在狹小環(huán)境中操作。這些機(jī)器人是由磁性橡膠螺旋構(gòu)造而成，能夠響應(yīng)編程來(lái)行走、爬升和游動(dòng)，這些活動(dòng)都是基于簡(jiǎn)單且容易操作的磁場(chǎng)。

美國(guó)麻省理工學(xué)院K. Lisa Yang 腦體中心的主管，同時(shí)也是電子實(shí)驗(yàn)室的教授Polina Anikeeva表明：“這是首次實(shí)現(xiàn)通過(guò)一維磁場(chǎng)來(lái)控制機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)。”該團(tuán)隊(duì)在6月3日在《先進(jìn)材料》期刊上發(fā)布了一篇關(guān)于磁控機(jī)器人的開(kāi)放獲取文章。“由于這些機(jī)器人主要由柔軟的聚合物構(gòu)成，因此只需很小的磁場(chǎng)就能激活它們，推動(dòng)它們的是一個(gè)非常微弱的磁場(chǎng)?！?/p>

這些創(chuàng)新型機(jī)器人特別適用于在受限空間中運(yùn)輸物品，它們?nèi)彳浀南鹉z構(gòu)造對(duì)易碎環(huán)境相當(dāng)溫和，這為其在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了可能性。Anikeeva及其研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)生產(chǎn)出了毫米級(jí)的機(jī)器人，但她也表示，使用相同的制造方法也能生產(chǎn)更小型的機(jī)器人。

Anikeeva解釋稱(chēng)，迄今為止，磁性機(jī)器人是隨著磁場(chǎng)的變化而移動(dòng)的。她說(shuō)，在這些模型中，“如果你想讓機(jī)器人行走，相應(yīng)的磁鐵也需要移動(dòng)。如果你想讓機(jī)器人旋轉(zhuǎn)，你需要轉(zhuǎn)動(dòng)你的磁鐵?！边@限制了這類(lèi)機(jī)器人能夠工作的環(huán)境?！霸谝粋€(gè)高度受限的空間內(nèi)，移動(dòng)磁鐵可能并不是最安全的做法。你會(huì)希望有一臺(tái)固定的設(shè)備，只針對(duì)樣本施加磁場(chǎng)?！?/p>

Youngbin Lee 博士，一個(gè)已經(jīng)畢業(yè)的Anikeeva實(shí)驗(yàn)室研究生，設(shè)計(jì)了解決這一問(wèn)題的方案。他研發(fā)的機(jī)器人不是均勻地磁化的，而是在不同部位和方向上被有策略地磁化，從而能通過(guò)單一磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式磁力驅(qū)動(dòng)。

在進(jìn)行磁化之前，需要先構(gòu)建出柔軟而輕便的機(jī)器人主體。Lee采用了兩種不同硬度的橡膠，將其合并，然后通過(guò)加熱和拉伸成細(xì)長(zhǎng)的纖維。由于這兩種材料的屬性各異，一種橡膠在被拉伸時(shí)能保持其彈性，而另一種則會(huì)變形并且不能恢復(fù)原狀。因此，當(dāng)應(yīng)力釋放時(shí)，纖維的一側(cè)會(huì)收縮，進(jìn)而帶動(dòng)另一側(cè)，使整個(gè)纖維卷成緊繃的線圈。Anikeeva提到，這種螺旋狀的纖維是受到了黃瓜植物卷須的啟發(fā)，當(dāng)其中一層細(xì)胞比另一層更快地失水時(shí)，卷須便會(huì)呈現(xiàn)出螺旋形狀。

引入了第三種可能成為磁性的材料顆粒，這些被嵌入到橡膠纖維的通道中。這樣，在纖維形成螺旋后，就可以通過(guò)特定的磁化模式來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的動(dòng)作。

Anikeeva說(shuō)：“Youngbin非常細(xì)致地計(jì)算了如何磁化這些機(jī)器人，以便它們能按照他的編程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)?！薄八_地計(jì)算了，當(dāng)我們施加磁場(chǎng)時(shí)，如何在其上形成這樣的力分布，使機(jī)器人能夠開(kāi)始行走或爬升?！?/p>

比如，為了創(chuàng)建一個(gè)像毛毛蟲(chóng)那樣能爬行的機(jī)器人，螺旋纖維被塑成了輕微的波浪形狀，然后對(duì)其身體、頭部和尾部進(jìn)行磁化。這樣，施加垂直于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平面的磁場(chǎng)會(huì)使機(jī)器人體積壓縮。當(dāng)磁場(chǎng)減至零時(shí)，壓縮解除，爬行機(jī)器人開(kāi)始展開(kāi)，這些動(dòng)作共同推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。另一種設(shè)計(jì)的機(jī)器人有兩個(gè)足狀的螺旋纖維，它們通過(guò)關(guān)節(jié)連接，其磁化方式使得其行動(dòng)更像是行走。

這種精確的磁化技術(shù)為每個(gè)機(jī)器人設(shè)定了一個(gè)特定的程序，確保了一旦機(jī)器人被制造出來(lái)，就能容易地進(jìn)行控制。一個(gè)弱磁場(chǎng)就足以激活每個(gè)機(jī)器人的預(yù)定程序并推動(dòng)其特殊類(lèi)型的動(dòng)作。一個(gè)單一的磁場(chǎng)甚至能讓多個(gè)機(jī)器人朝反方向移動(dòng)（如果已進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的編程）。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，只需簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向就能使機(jī)器人改變運(yùn)動(dòng)方向。

Anikeeva說(shuō)：“現(xiàn)在，我們正在考慮如何將這些機(jī)器人應(yīng)用到生物醫(yī)療領(lǐng)域中。由于它們是由柔軟的橡膠制成，因此可以很輕松地穿過(guò)血管和其他細(xì)小的身體通道?！蓖瑫r(shí)，她表示這種機(jī)器人還有其他多種應(yīng)用，如進(jìn)行精確的環(huán)境監(jiān)測(cè)、藥物輸送，甚至是無(wú)線電藥物釋放?！?/p>