中山大学蒋乐伦教授团队《ACS AMI》：固-液可切换磁驱动微型软体机器人

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磁驱动微型软体机器人能够通过无线磁场以远程控制的方式实现复杂的操作，在生物医学领域具有广泛的应用前景。然而，基于固体材料（例如，硅胶，水凝胶等）的磁驱动微型软体机器人有着较好的刚度和稳定的形状，但由于其变形能力受到预先设计的形状限制而无法在极端狭窄的环境中灵活运动；相比之下，基于液体材料（例如，磁流体，液态金属等）的磁驱动软体微型机器人能够以实现大尺度的变形，但却受到形状不稳定的限制。因此，开发一种能够实现快速固-液切换并具有多功能的磁机器人仍然是一个挑战。

近期，受好莱坞大片《终结者2》中T-1000机器人和《X-战警》中万磁王的启发，中山大学蒋乐伦教授团队报道了一种基于磁流变液的固-液可切换磁驱动微型软体机器人（磁流变液机器人）（图1a）。文中研究分析了磁流变液机器人受磁场控制的固-液切换性能、力学性能以及微观结构（图2），发现磁流变液机器人可以实现在弱磁场（≈0 mT）下的牛顿流体（液态）和强磁场（≈100 mT）下的宾汉姆塑性体（固态）之间自由、快速地转换（图1b），并且展示了其基于固-液切换能力下的自愈、形状稳定、智能粘附物体等行为。液态磁流变液机器人可以在高梯度弱磁场的驱动下实现大变形、平稳导航、原地分裂、融合和跳跃等多种行为；固态磁流变液机器人可以在高梯度强磁场的驱动下，具有形状可重构的可控运动和多用途的物体操作(包括物体的拉、推和旋转)（图1e）。此外，通过在固态和液态之间自由地切换，磁驱动下的磁流变液机器人可以在综合场景中连续机动地完成管道导航、修复电路、爬坡以及收集微球等多种任务，并实现血管模型中的液体给药、血栓清除和流体流动阻塞等功能行为。（图3）。这项研究工作为磁驱动机器人的设计制造以及应用开发开拓了新的研究思路，所提出的磁流变液机器人通过完全磁控的固-液切换，实现了固体磁驱动机器人和液体磁驱动机器人的优势互补，扩展了其在生物医学上的应用前景。该工作以“Solid-Liquid State Transformable Magnetorheological Milli-Robot”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。中山大学生物医学工程学院博士后陈志鹏和硕士研究生卢威斌为论文的共同第一作者，中山大学生物医学工程学院蒋乐伦教授为论文的通讯作者。

磁流变液机器人通过其优异的固态−液态变换性，有效地利用了固体和液体软磁机器人的综合优势。磁流变液机器人具有极强的液体变形能力和固体操控能力，可以在复杂的场景中按需完成任务，并在磁场驱动下实现血管模型中的液体药物输送、血栓清除和流体流动阻断。这项工作代表着无线软磁机器人这一新兴领域的重大进步，有利于扩展其生物医学应用，如流体、物体操纵、化学反应和靶向药物输送等。

图1 （a）以液态金属机器人和万磁王为灵感，提出了一种固液态可切换磁驱动软体微型机器人（磁流变液机器人）。(b)人形磁流变液机器人在100 mT磁场下固定在壁上，去除磁场后向下流动。(c)磁流变液机器人有/无磁场时铁颗粒和淀粉颗粒的分布。(d)在大约100 mT的磁场|B|下，磁流变液可以被切割成四个部分，并在固体状态下堆叠在一起，去除磁场后融合成一个液滴。(e) 磁流变液机器人在∇|B|和|B|磁驱动下，变换为两个抓手，抓取和拖动物体。

图2 磁流变液在0和100 mT磁场下的表观粘度。(b)磁流变液在0和100 mT磁场下剪切速率与应力的关系。(c)磁场对磁流变液粘度的影响。(d)在0 mT和100 mT磁场下，应变对磁流变液存储模量G'和损耗模量G "的影响。(e)在0 mT和100 mT磁场下，角频率对磁流变液储存模量G'和损耗模量G "的影响。(f)磁流变液磁滞回线。(g) 磁流变液在0和100 mT磁场下的压缩应力。(h)磁流变液在压缩过程中施加磁场和去除磁场的压缩应力曲线。(i)从磁流变液分离的平面粘接应力。(j)磁流变液在0和100 mT磁场下的表面形貌。(k)光学显微镜观察到磁场从0增大到100 mT时，磁流变液50-μm厚度截面的拓扑变化。(l1) 100 mT磁场下磁流变液显微组织放大图。(l2- 14)在100 mT磁场下，用有限元法研究磁流变液微结构的磁场分布。

图3 (a-b) 磁流变液机器人在磁驱动下的复杂场景连续执行各种复杂任务的示意图和实际演示。(c)磁流变液机器人治疗心血管疾病示意图。(d) 3D打印的血管模型图像。磁流变液机器人在血管模型中进行导航，实现了多种功能，包括(e)按需给药，(f)清除活性血栓，和(g)流体流动阻断。

该工作是蒋乐伦教授团队近期关于磁驱动微型机器人相关研究的最新进展之一。近年来，蒋乐伦教授课题组报道了一系列磁驱动微型机器人研究成果，实现了多变形模式和多功能结构的磁驱动微型机器人的设计、制造与操控。

原文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c05251

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