北京大学工学院段慧玲教授团队在智能微纳变体机器人领域取得重要进展

北京大学工学院段慧玲教授课题组在智能微纳米变体机器人设计理论、材料和结构研制及功能化研究中取得重要进展，相关工作发表在国际重要期刊《Materials Today》、《Science Advances》和《Advanced Intelligent Systems》上。

微纳米机器人通常指在微纳米尺度下具有某种功能和特性的微型机械装置，因其具有微小、远程、靶向、可控、微创等优点，对生物医学等领域的研究及应用具有重要意义。在微纳米尺度下，流体环境具有与宏观迥异的微观特征，如低雷诺数、粘滞力占优、相对阻力更大等，且外部驱动方式受到空间、环境、硬件等宏观条件的限制，具有单一结构功能的机器人无法满足复杂微环境下的特殊任务需求。具有变体功能的智能微纳机器人(Reconfigurable Intelligent Micromachines) 可以响应外部环境变化，自适应变换出相应的功能形态，未来潜在应用于多功能靶向治疗、组织修复、细胞操作、生物检测等，具有极其重要的应用意义。然而，受限于材料、设计方法、驱动控制技术等，实现具有复杂变形功能的微纳米变体机器人的智能化非常具有挑战性。近日，北京大学工学院段慧玲教授团队在智能微纳米变体机器人设计理论、材料及结构研制及其功能化领域取得重要进展，相关论文于近日分别发表在国际重要期刊《Materials Today》 (https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.06.002)、《Science Advances》 (2020, 6, eaav8219)、《Advanced Intelligent Systems》 (https://doi.org/10.1002/aisy.201900128) 和《Advanced Science》 (2019, 6, 1800730; 2019, 6, 1900401)上。

北京大学工学院段慧玲教授团队完整搭建了具有制备-表征-驱动-测试功能的先进制造平台，研发了基于可调双光子聚合的四维激光直写技术，第一次真正实现了在微纳米尺度上可直接进行3D到3D复杂变形的智能变体结构，并可在pH值、温度、溶剂等多刺激下快速转换功能形态。其研究亮点在于，优化智能可打印材料溶胀率的同时，引入基于机械杠杆设计原理的微铰链 (Hinge Joint) 结构，以此通过机械增益 (Mechanical Advantages) 的方式提供变形增强效果 (Deformation-amplifying Effectiveness)，为实现在材料及空间受限条件下功能组件的大变形提供了重要的设计思路，所提出的4D微纳打印技术也为未来构建大尺度复杂智能变体系统提供了技术支持。相关研究工作已发表于《Materials Today》 (Four-dimensional Direct Laser Writing of Reconfigurable Compound Micromachines. Materials Today, 2019, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.06.002)杂志正刊，并被《Materials Today》专栏以题为“Laser Makes Micromachines Right”新闻焦点评论，指出“该技术已成功用于自扩张微血管支架(Active Microstents)、智能药物释放载具(Smart Drug Microcarriers)、血管阻塞微型雨伞(Minimally Invasive Vascular Occlusion Microdevices)等复杂智能变体微结构的功能化设计。(https://www.materialstoday.com/polymers-soft-materials/news/laser-makes-micromachines-right/. There is an inevitable trade-off between deformability and structural complexity, but the new approach allows the construction of complex, reconfigurable micromachines including cages, stents, and lantern-like structures, which display excellent deformation characteristics, transforming rapidly and reversibly from 3D-to-3D shape in response to external stimuli.)”

4D微纳打印技术流程

借助上述4D激光直写技术，该研究团队首次提出了面向超高变形自由度的全新4D微纳打印方法及设计原理。其研究亮点在于，突破目前传统4D打印平面堆叠的技术限制，该方法提出了可控大变形的4D微纳米积木（4D Micro-building Blocks）的设计理论模型，建立了通过可编程模块化组装的方式实现大尺度超高精度变体系统的建造理论，首次通过打印方式在微纳米尺度上实现真正意义上的变形金刚。该阶段性研究工作已发表在《Science》子刊《Science Advances》 (Four-dimensional Micro-building Blocks. Science Advances, 2020, 6, eaav8219)上。

微纳变形金刚设计及变形过程

进一步地，该研究团队基于微纳双层梁结构尺寸效应导致的逐层序列溶胀特性，提出并成功设计制备了具有外部环境响应功能的智能微铰链（Smart Microjoints）结构单元，该结构单元可在外部环境pH激励下实现主动可控变形。借助构型优化设计方法与上述4D激光直写技术，实现了微铰链单元与微纳机器人结构的一体化设计集成及微尺度结构各部分的精确变形调控，并由此开发出了具有优异爬行特性的智能可编程微爬行器，该研究工作已被人工智能与机器人领域国际期刊《 Advanced Intelligent Systems》 (Encoding Smart Micro-Joints for Micro-Crawlers with Enhanced Locomotion. Advanced Intelligent Systems, 2020, https://doi.org/10.1002/aisy.201900128)发表。

微纳变体爬行机器人的设计与运动特性对比

上述系列研究工作主要完成人为段慧玲教授团队博士后黄天云、博士生陈倩滢，以及香港中文大学交换博士生金冬冬，并与香港中文大学机械与自动化工程系张立教授和北京大学工学院黄建永特聘研究员合作完成。哈佛大学医学院博士后黄恒伟也参与了部分研究工作。以上研究得到了国家自然科学基金委共融机器人重大研究计划重点项目（91848201）、国家自然基金委面上项目（11872004）及青年项目（11702003, 11802004）、北京市自然科学基金重点项目（L172002）、中国博士后面上基金（2016M600861）、北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心（BIC-ESAT）先进微纳米制造实验室等项目的资助。

参考文献：

1. Dongdong Jin, Qianying Chen, Tian-Yun Huang*, Jianyong Huang, Li Zhang, Huiling Duan. Four-dimensional Direct Laser Writing of Reconfigurable Compound Micromachines. Materials Today, 2019, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.06.002.
2. Tian-Yun Huang, Hen-Wei Huang, Dongdong Jin, Qianying Chen, Jianyong Huang, Li Zhang, Huiling Duan*. Four-dimensional Micro-building Blocks. Science Advances, 2020, 6, eaav8219.
3. Qianying Chen, Pengyu Lv, Tian-Yun Huang, Jianyong Huang*, Huiling Duan*. Encoding Smart Micro-Joints for Micro-Crawlers with Enhanced Locomotion. Advanced Intelligent Systems, 2020, https://doi.org/10.1002/aisy.201900128.
4.https://www.materialstoday.com/polymers-soft-materials/news/laser-makes-micromachines-right/
5. 黄天云，段慧玲。 基于三维激光直写的4D微纳打印方法，中国，发明专利，（201810151527.2），已授权.

来源：北京大学工学院

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