一挥磁铁，微型"磁控机器人"完成复杂动作

在显微镜下，一束棒棒糖状的微型结构静静漂浮在培养皿的液体中，每一个都比沙粒还小。突然，当科学家将一块小磁铁挥过培养皿时，这些结构猛然合拢，就像捕蝇草的颚部一样。原本一排被动的微小结构，瞬间变成了一个主动的机器人夹爪。

这个棒棒糖夹爪，正是麻省理工学院（MIT）工程师与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）及辛辛那提大学合作者共同开发的一种新型软磁水凝胶的演示成果。在今日发表于《Matter》期刊的一项研究中，MIT团队报告了一种打印和制造该凝胶的新方法，可将其制成复杂的、可通过磁力激活的三维结构。

这种新型凝胶有望成为软性微型磁控机器人与材料的基础。此类磁控机器人在医疗领域潜力巨大，例如在外部磁铁的引导下实现靶向给药或采集活检样本。

利用磁铁使物体运动并非新鲜事，至少在宏观尺度上早已实现。比如，用冰箱贴在一堆回形针上方挥过，回形针便会随之移动。在微观尺度上，科学家也设计了各种磁性"微型游泳器"——尺寸小于一毫米的组件，可由远处的磁铁遥控，穿过狭小空间。这类设计大多通过将磁性颗粒混入可打印树脂中，再借助外部磁铁牵引整个结构运动。

相比之下，MIT团队开发的新材料能以微米级精度制成更为复杂、可变形的结构，赋予磁控毫米机器人独立操控各部件的能力，从而完成更复杂的动作。

"我们现在能够制造出精细的软性三维架构，其组件可在同一微观结构内以复杂方式运动和变形，"研究作者、MIT机械工程系Robert N. Noyce职业发展副教授卡洛斯·波尔特拉（Carlos Portela）表示，"对于软性微型机器人或刺激响应材料而言，这可能是颠覆性的能力。"

该研究的MIT共同作者还包括研究生雷切尔·孙（Rachel Sun）和安德鲁·陈（Andrew Chen），以及来自EPFL的季一鸣（Yiming Ji）和达里尔·叶（Daryl Yee），以及辛辛那提大学的埃里克·斯图尔特（Eric Stewart）。

瞬间响应

在MIT，波尔特拉团队专注于开发新型超材料——通过独特微观架构设计，使材料获得超越常规性能的特殊工程材料。波尔特拉已制造出多种超材料，包括极其坚韧且富有弹性的架构，以及可操控声音并抵御剧烈冲击的设计。

近期，他将研究拓展至"可编程"材料领域——这类材料可被设计成能响应特定刺激（如特定化学物质、光、电场和磁场）而改变自身属性。

在团队看来，磁性刺激在所有方式中独具优势。

"磁性响应材料可以实现远距离控制，且响应是即时的，"共同第一作者安德鲁·陈说，"我们无需等待缓慢的化学反应或物理过程，也无需接触材料便可对其进行操控。"

在这项新研究中，团队的目标是创造一种可制成亚毫米尺寸结构的磁性响应超材料。研究人员通常采用双光子光刻技术制造微观结构——这是一种高分辨率三维打印技术，通过将激光脉冲射入少量树脂中，逐层追踪微观图案，使树脂固化成对应形状，最终形成微小的三维结构。

尽管三维树脂打印能制造精细的微观结构，但用同样方法打印磁性结构却颇具挑战。研究人员曾尝试在打印前将树脂与磁性纳米颗粒混合，但磁性颗粒本质上是金属微粒，会散射激光或发生团聚沉降。研究发现，树脂中的磁性颗粒会削弱激光在特定位置的能量，导致结构强度下降，甚至无法完成打印。

"直接三维打印含有高比例磁性颗粒的可变形微米级结构极为困难，往往需要在磁性功能与结构完整性之间做出权衡，"共同第一作者孙说道。

两步浸泡工艺

研究人员开创了一种制造磁性微观结构的新方法，将三维树脂打印与两步浸泡工艺相结合。首先，他们利用常规树脂打印技术，仅使用普通聚合物凝胶（不添加任何磁性颗粒）制造出微观结构；随后将打印好的凝胶浸入含铁离子的溶液中，凝胶会自行吸收铁离子；再将含铁结构浸入第二种含氢氧根离子的溶液中。凝胶中的铁离子与氢氧根离子结合，生成具有天然磁性的氧化铁纳米颗粒。

借助这一新工艺，团队可以先打印出精细的亚毫米结构，再在打印完成后赋予其磁性。更重要的是，他们能够精确控制结构各个局部的磁性强弱。研究发现，通过在打印特定部件时调节激光功率，可以设定凝胶的交联密度（即凝胶的"致密程度"）。凝胶越致密，所能形成的磁性颗粒越少。这样，研究人员便能预先设定每个微小部件的磁性强弱。

"这为在微尺度上打印多功能结构和材料提供了前所未有的设计自由度，"孙说。

为了演示这一能力，团队制造了形似微型棒棒糖的球杆结构，整体高度不足一毫米，球体部分比沙粒更小。他们用聚合物凝胶打印棒棒糖结构，并在每个球体中注入不同数量的磁性颗粒，赋予它们不同程度的磁性。在显微镜下观察时，当普通冰箱贴从结构上方划过，各棒棒糖以不同幅度向磁铁偏转，整体形态酷似弯曲的抓握手指。

"可以设想，这样的磁性架构可以充当一个小型机器人，由外部磁铁引导在人体内穿行，并夹持住目标，例如采集活检样本，"波尔特拉说，"这是一个可供他人继续探索的研究方向。"

团队还制造了一种具有磁性响应的"双稳态"开关。他们先打印出一块毫米级长度的聚合物凝胶矩形片，并在其两侧各附上四个桨叶状的微型磁性结构，每个桨叶厚约8微米，与红细胞大小相当。当在矩形片一端施加磁场时，桨叶向磁铁方向翻转，带动矩形片朝同一方向移动并锁定；当磁铁移至另一端时，桨叶再次翻转，将矩形片拉向相反方向，如同一个开关被拨动。

"我们认为这是一种新型双稳态机制，可用于微流控装置中，作为磁控阀门来开关流体通道，"波尔特拉说，"目前我们已经掌握了在微尺度上制造复杂磁性架构并在空间上精准调控其属性的方法，这为未来软性微型机器人的发展开启了众多令人期待的可能性。"

本研究部分获得美国国家科学基金会和MathWorks种子基金项目的资助，部分工作在MIT.nano纳米制造与表征设施中完成。

Q&A

Q1：软磁水凝胶制造的磁控机器人在医疗上有哪些应用前景？

A：这种磁控微型机器人可由体外磁铁引导，在人体内穿行并执行任务。例如，可在磁场引导下定点释放药物，或直接夹持目标组织进行活检采样，无需手术切口。由于结构柔软、尺寸微小，对人体组织的损伤极小，具有较高的临床应用潜力。

Q2：MIT团队的两步浸泡工艺解决了哪些传统磁性微结构打印的难题？

A：传统方法将磁性纳米颗粒直接混入树脂再打印，但金属颗粒会散射激光、发生团聚沉降，导致打印结构强度不足甚至失败，磁性功能与结构完整性难以兼顾。MIT团队的新方法先用纯凝胶打印结构，再通过两步浸泡在内部原位生成氧化铁纳米颗粒，从根本上绕开了上述问题，同时还能通过调节激光功率精确控制各部位的磁性强弱。

Q3：双稳态磁性开关的工作原理是什么？有哪些潜在用途？

A：双稳态开关由一块聚合物凝胶矩形片和附在两侧的桨叶状磁性结构组成。在矩形片任意一端施加磁场，桨叶便翻转并带动整体向该方向移动锁定；换到另一端施加磁场，则反向锁定，实现"拨动开关"效果。这种机制可用于微流控装置，作为磁控阀门精准控制微通道中的液体流动。