Science子刊：神奇的“居里温度”助力实现可编程磁驱动软机器人

导读

通过控制外部磁场，可以对磁驱动的软机器人（或软结构）实现无接触的驱动控制。磁驱动的软机器人有着很高的研究和实用价值，例如在医学领域的体内药物运送机器人，以及研发智能可穿戴领域等。近年磁驱动软机器人得到很多知名高校和国际著名期刊的青睐。当下的磁驱动软机器人内部的磁场分布都是按照预先设定好的模式设计制造，一旦完成，其内部磁场的分布就确定了，因此难以实现对于单个机器人磁场分布的可重复性“编程” 。近日，国际顶级期刊，science子刊《科学进展（scienceadvance）》刊登了一篇关于如何实现可重复编程的磁驱动软机器人/结构的文章，题目为“可重复编程的变形磁性软机器“，提出了一种对磁性软机器人内部磁场重塑的方法：通过将嵌在软结构中的永磁铁微粒进行加热，当温度超过“居里点”后，在材料冷却过程中施加一个外部强磁场就可以改变材料内部磁场分布。该研究项目由来自德国的“马克斯普朗克智能系统研究所”，美国卡耐基梅隆大学机械工程学院，土耳其的科克大学以及瑞士的苏黎世联邦理工共同完成。论文中指出，这种方式的编程的磁场分辨率可以达到38微米，编程产出速率最快可达每分钟10个样本。

图1. 可重复编程的磁驱动滚动软机器人

1. 可重复“编程”的磁驱动软机器人

近年来软体机器人领域兴起，出现了基于各种不同的物理化学原理驱动的软机器人。其中有一类借助于外界磁场驱动的软机器人，即磁驱动的软机器人/软结构。这类机器人驱动原理相对简单，将具有磁性的颗粒物融合到弹性聚合物中（例如硅胶），使颗粒物的磁场按照一定的规律分布，就得到了一个磁驱动的软机器人，这个过程需要对颗粒物磁场分布进行“编程”，从而满足特定的场景需求。当对磁驱动软机器人施加一个外部磁场时，通过控制磁场的强弱和方向，就可以控制软机器人按照预先“编程”好的方式变形，从而完成任务。磁驱动软机器人的最大特点就是，它实现了一种无接触式的软体机器人驱动，只要有合适的外加磁场就可以实现对于这类机器人的驱动和控制，并且无需担心障碍物的阻隔。

图2. 一些典型的微型磁驱动软机器人

磁驱动软机器人颇受一些国际顶级期刊青睐，包括《自然（nature）》和《自然通讯（naturecommunication）》和《科学-机器人学（sciencerobotics）》上都多次刊出磁驱动微型机器人/软机器人的相关论文，这里小编整理一些图片展示给各位读者，文末附有论文题目，感兴趣的小伙伴可以去搜索。

图3. 磁驱动软机器人穿梭于复杂血管系统（science robotics）

图4. 3d打印的磁驱动多足软机器人（nature）

图5. 磁驱动微型机器人（nature）

为了实现磁驱动软机器人内部磁场的编程，现有的方式基本依靠模板化的磁化方式生产制造。也有一些研究采用3d打印的方式来实现磁场分布的编排。然而，在这些研究中，有一个共同的限制就是磁场分布和机器人的加工过程是捆绑在一起的，对于每一个做好的软机器人而言，它内部的磁场分布就确定了。同时，以上的加工方式加工较慢，限制了大批量生产，从而一定程度上限制了磁驱动软机器人的实用性。

近日，发表于国际顶级期刊《科学进展（scienceadvance）》上的一篇论文提出了一种有效地解决方案，实现了磁驱动机器人的可重复编程，并且提升了磁驱动软机器人的生产效率。该研究项目由来自德国的“马克斯普朗克智能系统研究所”，美国卡耐基梅隆大学机械工程学院，土耳其的科克大学以及瑞士的苏黎世联邦理工共同完成。

图6. 热辅助磁场编程原理图

研究者们提出了一种“热辅助磁场编程”的方式，即将内嵌有永磁铁颗粒物的软机器人加热到一定的温度，即“居里温度（居里点）”，磁性颗粒的磁性会逐渐紊乱并且弱化到0，这个时候，停止加热，在软机器人冷却的过程中，对其施加一个一定方向的外部磁场，之前弱化的磁性就会根据外部磁场的磁感线重新排布。通过这一过程，就可以改变磁性颗粒物的磁场分布。

小知识（百度百科）：居里点（Curie point）又作居里温度（Curie temperature，Tc）或磁性转变点。是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。

小编先向大家展示一下研究者借助于这种“热辅助磁性编程”方法加工的一些复杂形状的磁驱动软结构/软机器人。在下一部分会介绍具体的材料和相关设备。文末有完整的视频和论文链接，感兴趣的读者不要错过（注意：science advance的文章开源）。

通过对不同的“树叶”进行磁性编程，让其在变化的磁场中“随风摇曳”。

图7. 随磁场摇曳的小树

图8. 特别设计的磁场控制的“蜻蜓”

图9. 磁场控制的“花朵”

图10. 磁场控制的复杂变形圆环

图11. 磁场驱动的球形软机器人

当软机器人的外型固定，通过“热辅助磁性编程”方法可以改变软机器人内部的磁场分布。研究者通过一个简单的四足软机器人来展示相同结构不同磁场分布的运动差异。

图12. 磁驱动的四足机器人

图13. 磁场重新编程过的四足机器人

图14. 磁场控制的自动开合小盒子

2. 原理与设计展示

为了能够实现热辅助磁性编程，研究者将将二氧化铬（CrO2）10微米大小的微粒嵌入到PDMS的弹性体中。二氧化铬是一种铁磁性材料，它的“居里点”为118摄氏度，这个温度对于大多数弹性体来说都可以承受而不被损坏。研究者采用一束平行的近红外能量可调节光束对于需要被磁化编程的弹性体进行局部精确加热。加热温度，加热冷却时间，以及加热范围都可以控制（在1.3mm直径的加热范围内，最短的加热冷却周期是5.7s）。

图15. “激光热辅助”磁化编程设备结构设计

激光热辅助磁化编程设备的结构相对简单。一块永磁铁安装在一对步进电机上，可以实现绕两个轴的旋转，在平台上方安装有一个霍尔磁场传感器，以及一个功率可控的NIR激光装置。

图16. “热辅助”磁化设备展示

通过控制平台步进电机的转角，可以调整所要加载的磁场的角度，研究者测试了三个不同的磁铁角度，分别是0°，45°和90°，并且模拟了三种磁铁放置角度下，磁场的分布图象。将冷却中的磁性软机器人放置于响应的磁场中，就可以得到想要的磁场方向。

图17. 永磁铁角度控制

图18. 不同角度磁铁的磁感线分布

借助于上述设备，研究者可以对于同一个形状的磁化的软弹性体进行热辅助编程。如下图，展示了一个软体四足机器人，以及一个柔性抓手在不同的磁场分布情况下，不同的变形情况。

图19. 四足机器人两种磁场分布编程方式

图20. 软体夹爪两种磁场编程展示

除去激光精准定位加热和磁化，磁化编程也可以通过借助于设计好的磁化模块接近弹性体，同时系统性的加热整个弹性体来实现。这样的话可以实现一次性成型。研究者展示了一个西方的智慧女神头像图形，在加热子模块后，将母模块靠近子模块，子模块就会产生所需要的磁场分布。利用这种磁场编程方式，可以实现38微米级别的磁化。同时，这种方式最快可以实现1分钟10个样本复刻的速率。

图21. 一次性精准磁化编程

3. 总结与展望

研究者展示的热辅助磁化编程策略把磁性软弹性体的磁场分布和加工过程分割开来，因此让磁性软机器人变得更加容易加工和个性化制造。研究者展示了十多种不同的结构模式，均采用了热辅助磁化编程策略，包括软体四足机器人，软体抓手，以及软体滚动球等。

微观尺度的磁场可以辅助发展一些具有复杂运动能力的微型机器人。在本研究中，实现了达38微米尺寸的3d磁化编程能力。和之前最精密的10微米相比，虽然还有一定的差距，但是研究者指出磁化的精度可以通过优化机械设计和机械原件的优化来提升。

总的来说，具有可重复变成的复杂形状的多尺度软机器人能够为医学上，可穿戴健康设备以及仿生微型机器人带来无限可能。希望今天的“热辅助磁化编程”能够启发相关或者相似领域的读者朋友，有些时候看起来不可变的现象或许也能够发生变化，激发大家的创新的思路，找到突破口。