​一次可造1000多个机器人！MIT赵选贺团队创新设计解决业界多年难题

小编今天竟然亲眼目睹办公用品成精，会自己走路了！电话线自己会爬，有图有真相：

回形针也像是长出了腿，大步流星，昂首阔步地走着：

我不会出现幻觉了吧？再揉揉眼仔细一瞧，什么嘛？原来是机器人。

虽然外表看着不像，不过它确实是货真价实的机器人，属于软体机器人的一种，而且来头还不小，这是麻省理工学院（MIT）的最新研究成果，除了走路之外，还会游泳！

不知道你有没有注意到，这个小机器人在运动时没有外接任何电缆或者设备，那它是怎么做到运动自如的呢？

答案就是：磁场。

以上其实是 ⌈三维磁性软体机器人⌋，结合了纤维执行器和磁性弹性体，利用单向磁场控制，可以实现爬行或走路等多种运动模式，还能充当货物运输工具，未来能够在复杂难以部署的受限环境中得到很好的应用。

除了机器人的表现外，它的制作方式和控制方法也是相当创新的，其可扩展能力甚至能够达到同时制造一千多个机器人，解决了目前磁性机器人的制造难题！

▍磁性机器人制造与控制方法的难题

在软体机器人领域中，驱动方式的选择会直接影响机器人的表现和功能。

磁场比光、压力、热、电场等更具有优势，因为磁场环境的部署不受任何束缚，也不受材料的限制，就连弱磁场也能穿透非磁性和弱导电介质。相比之下，光、压力、热和电场等其他驱动方式无法穿透某些物质，或者需要更高的能量消耗。

这些优势激发了大量的磁性软体机器人研究，应用于外科、活检、药物。尽管如此，磁性软体机器人依然受到制造和控制的挑战。迄今为止，它们主要由二维结构成型或立体光刻工艺，但对于需要更复杂的三维结构的应用来说，目前还没有简单快速且可扩展的制造方法。

同时在控制方面，目前磁性软体机器人大多依靠多个磁铁或电磁线圈组成的设备，复杂又笨重，缺少一种可以适应多种机器人的磁场控制方案。

总之，制造方法的创新与控制方案的简化是目前研究的重中之重，如果真的出现这样一种方案，不仅可以增强机器人的实用性，还可以扩大其在生物医学和工程学中的应用。

▍一次造1000多个，灵活扩展超乎想象

说了这么多，到底MIT是如何解决磁性驱动中制造方法与控制方案的难题呢？

先讲制造方法，不难看出，这个像电话线的机器人整体呈螺旋结构，可以看作是一种连续的三维结构，研究人员利用了两种具有不同变形能力的弹性体：SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）和COCe(环烯烃共聚物弹性体)，将两种弹性体组合成空心结构，内部空心填充带有铁磁性的复合材料。

空性结构的一侧是 SEBS,另一侧是COCe，然后进行数百米的热拉伸，弹性体可以承受超过 600%的应变，由于COCe的塑性变形比 SEBS 大，在热拉伸和仪器处理后，可以自然形成螺旋状结构。

到这里，一个具有磁控能力的“电话线”软体机器人就初步成型了，但要想要让其按需运动，还得规定它的运动方式，比如模仿毛毛虫的蠕动前行。

研究人员对“电话线”进行了永久磁化，他们将其放在模具上并施加强力磁场，这样一根没有灵魂的“电话线〞 就有了像毛毛虫一样的头部、身体和尾部，这样在施加不同强度的磁场时，机器人可以用不同的速度爬行。

改变一下永久磁化的姿势和部位，机器人还能实现双足运动。机器人类似于“回形针”结构，具有两个“脚”和一个“关节”。当站立起来用“双腿”行走时，脚部的螺旋线圈负责增加与地面的接触摩擦，关节负责让两条腿向相反方向撑开。

这是一种非常灵活的制造方式，可扩展和编程能力非常强，对于固定的架构，可以大规模制造多个机器人。例如，多个磁性弹性纤维段可以同时拉伸，还可以同时在大体积电磁铁中永久磁化，这样一来，甚至能够实现在一个步骤中制造1000多个软机器人，大大简化了开发过程！

▍单向磁场灵活部署

除此之外，这种结构也能够简化磁场环境的部署，只需要固定电磁铁施加的单向磁场就足够了。“电话线”机器人处于运动平面正交的磁场中，随时间在 0 到 45 mT 之间、频率高达 10 Hz 呈正弦变化。

在毛毛虫的运动模式中，当磁场增加时，头、身体和尾部之间的吸引力会产生双重折叠，从而产生应变，通过改变振荡场的频率，可以增加折叠循环的次数和爬行速度。

双足行走模式的磁场环境则略有不同，施加的不是正弦波，而是传递锯齿波，磁场从0增加到23-25mT，然后急剧下降到0mT，从而在每个周期中快速释放弹性能量。

利用磁场的切换，还能实现货物的装载和释放，或机器人之间的协同工作，举个简单的例子：两个机器人向相反的方向行走。

▍研究者介绍

这项研究发表在《Advanced Materials》（先进材料）杂志中，论文标题为“Magnetically Actuated Fiber-Based Soft Robots”（磁驱动纤维软体机器人）。

文章的第一作者是MIT的博士后研究员Youngbin Lee，2022年博士毕业于MIT，在科研工作期间，Youngbin 解决了打破纤维轴对称性的重大工程挑战，以后将继续使用纤维来构建可穿戴传感器和机器人。

在论文的作者一栏中，还出现了一个熟悉的名字——赵选贺教授。

赵选贺是MIT的终身教授，师从国内著名力学家锁志刚院士。赵选贺教授长期致力于推动人机交互和融合科技，Google Scholar显示他发表的文章总被引次数超过了17000次，H因子为63。当前，赵选贺课题组的研究成果已经产生了广泛的社会影响。

这项研究成果对于软体机器人的发展和应用具有重要意义，尤其是在受限环境中的应用，如外科手术、药物输送和活检等。通过创新的制造和控制方法，磁性软体机器人有望在未来发挥更大的作用，为解决复杂任务和应用中的挑战提供新的解决方案！

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