受向日葵启发！中国青年学者联手，最新Nature，随环境“就地变身”的软体机器人

磁控软体机器人再升级：不换磁场也能变出新形状！

随着智能化、微创化的快速发展，软体机器人因其良好的柔性变形能力、环境适应性与生物相容性，已广泛应用于医疗、工业、海洋等多个领域。然而，当前主流磁响应软体机器人仍然依赖预先设定的磁化配置，在任务过程中无法灵活重构形态，限制了其多功能任务的实现。传统方法虽尝试引入动态磁化策略，但始终难以同时满足“实时”与“原地”（in-situ）重编程的双重需求，导致机器人无法应对复杂场景中快速多变的任务挑战。

为突破上述瓶颈，德国马普智能系统研究所Metin Sitti教授团队提出了一种全新的“实时就地磁化重编程”策略。该技术以软体结构中“磁单元”的空间重排为核心机制，实现了在统一磁场中快速切换机器人形态与功能，首次打破了对外部磁场复杂调控的依赖。在一维管状、二维片状和三维框架等多维结构中，研究团队展示了多种变形模式与应用案例，如无接触避障导航、可重编程纤毛阵列、多器械协同操作及自适应柔性夹爪等，极大拓展了磁驱动软体机器人的应用边界。相关成果于以“Real-time in-situ magnetization reprogramming for soft robotics”为题发表在《Nature》上，第一作者为中国学者包贤强， Fan Wang和Jianhua Zhang为共同一作。

磁场不变，形态万变——一项磁性重构的“通用框架”

本研究灵感来源于“向日葵随日转向”这一生物现象：其通过体内激素再分配，精确控制变形位置。研究团队借鉴其机制，提出了“磁单元载体”概念——可在外力驱动下动态移动的结构单元，进而实现磁化方向的实时调控。如图1所示，通过不同直径的套管、嵌入的磁棒或磁粒形成可调位置的“磁单元”，机器人即可在统一磁场中产生不同形态（如直线形、螺旋形等）并可实时互换。这种新方法不仅适用于不同结构维度（1D/2D/3D），还支持多种磁单元材料（粒子、永磁体等）和尺寸，具备极强的通用性。在一维重编程实验中，研究人员采用内外嵌套管结构，每根管内预置特定磁化方向的磁单元。通过调整磁单元间距dR，精确控制弯曲半径与角度。例如，图1b展示了当磁单元相对位移从0至24 mm时，软管从直线弯曲至64.7°，而磁场强度不变（80 mT）。此外，不同配置（如A、C、G）展现出从形态记忆、形态快速切换到多节联动等多种功能。二维结构中，通过带孔软片与嵌杆组合，形成可调磁域布局，实现面内变形（图1c）；三维结构中，框体软结构各面均可植入磁单元，实现空间形态重构。

图1：结构层层嵌套，形态灵活重构

在图2a模拟的医学场景中，导管等医疗器械需穿越敏感组织或弯曲血管，稍有碰撞即可能造成损伤。现有磁控方法中，机器人一旦启动形变，其弯曲部位随整体移动难以固定，从而无法有效绕开障碍。而图2b展示的新策略下，弯曲区域可“锁定”于指定位置，主体则自由进退，确保“绕而不触”。在标准避障实验中（图2c），软管于磁场引导下绕过障碍完成任务，期间sA、sB等关键参数保持稳定（图2d）。团队进一步开展复杂路径、多分支血管模型（图2f）及离体猪心（图2g）验证，均实现精准无接触导航。即便在三维多障碍场景中（图2h），该技术仍能完成连续绕行，展现出卓越的可控性与稳定性。

图2：无接触避障导航

自然界中广泛存在的纤毛系统承担了物质输运、自清洁等重要功能，柔性驱动与编程性是其关键所在。图3a-b展示了研究团队构建的磁控纤毛阵列，用户可通过dR12调控实现纤毛“激活”或“关闭”，从而实现精细化目标操作，如“路径运输”、“U型转弯”等多种模式。此外，通过调整dR12实现“振幅调控”（图3d-e）或利用磁反转实现“相位反转”（图3f），即可在相同磁场下实现纤毛振动的力度与方向切换。进一步，结合相位与激活调控，系统还实现了“局部反相”、“多频共振”等复杂控制逻辑，为流体运输、微操控等应用提供更多可能。实验还展示了通过2×4阵列控制液体流动方向变更（图3g），证明该策略具备在微流控、仿生驱动器等领域的广泛适用性。

图3：磁控纤毛阵列“可选可调”，驱动方式随心切换

传统磁控软体操作中，单磁场下无法同时操控多机器人，原因在于磁场对所有目标“一视同仁”。本研究巧妙引入磁中和机制，实现在磁场中选择性激活某一器械（图4b），从而实现多个设备在统一磁场中“各司其职”。图4c展示了A/B两器械形态演化过程，通过控制dR12实现独立弯曲或保持不变。在实际多任务场景中，团队设定了穿越组织（图4d）、多点手术与路径清除等三个任务，实验中器械协同完成复杂操作，验证了方法的可行性与高适配性。为进一步满足非平面（3D）手术需求，团队还提出采用Configuration G结构实现三维可调变形，彻底摆脱了磁场方向变化的影响。

图4：多器械协同操作，破解磁场“干扰难题”

软夹爪因其高度柔性，特别适用于抓取不规则物体。但传统磁控手爪形态固定，难以通用。研究在2D结构基础上构建五指“人形手爪”（图5a），每个手指内部磁单元均可独立调控，实现如人手般的灵活弯曲。通过对比图5b展示的“T型”、“F型”、“n型”物体抓取过程，手爪均可在相同磁场条件下通过指尖重构精准适应目标形状，实现稳定抓握。

图5：智能手形软夹爪，“一个磁场抓万物”

小结

本研究首次实现了磁软体机器人的实时就地磁化重编程技术，在统一磁场条件下实现多结构、多形态、可选择、多功能的变形控制，显著提升了操作自由度与实用性。其普适的磁单元载体框架兼容性强，可扩展至毫米及亚毫米尺度，具备高度的场景适应性与工业转化潜力。未来，随着加工精度与微尺度控制技术的不断进步，该策略有望在医疗微创、体内导航、柔性电子、微操作、仿生系统等高价值应用领域释放更大能量，推动软体机器人真正走向“智慧感知+柔性操控”的新纪元。

来源：高分子科学前沿

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