《Science Robotics》：三维异质磁驱动软体机器人
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1. 提出了一种基于自底向上装配的三维微加工方法，以创建复杂的三维微型无线磁性软体机器人；
2. 该磁性软体机器人在毫米和亚毫米尺度上具有任意多材料组成、任意三维几何形状和任意可编程的高空间分辨率三维磁化轮廓；
3. 这种方法可同时实现微型机器人的多种特性，包括负泊松比超材料、可编程的形状变形、复杂的刚度分布、方向弯曲和形状重新配置的再磁化。
对外界刺激作出反应的小型软体机器人可能会促进仿生机器人和涉及机器人操作的应用，特别是无线和柔性微型机器人在生物医学领域的应用。外磁场是一种安全、快速、精确、灵巧的驱动方式。尽管最近的研究大大推进了小型软磁性机器人的制造，但将多个任意材料成分与任意三维磁性编程和几何体集成到小型软磁机器人中仍然是一个科学挑战。此外，现有的方法即二维（2D）铸型、激光切割、基于挤出和紫外（UV）光刻的3D打印以及化学自组装或合成方法受到一些基本的限制，阻碍了它们的进一步应用。具体来说，由于对储能模量的要求很高，磁性粒子的加入会导致性能的恶化，以及软弹性体的挤出膨胀，基于挤出的方法无法制备出更细的磁性软纤维来编织复杂的结构。未固化的液体光刻胶中磁性粒子的强局部相互作用限制了用光刻方法编程相邻体素的任意磁化。
磁性软体机器人的功能取决于其磁性元件及其磁化剖面，这些元件通过外部控制的三维磁场在软机器人上产生局部三维形状变形。对于已 道的任何单个器件，其磁性元件迄今为止是由单一种类的磁性复合材料制成的，即单一种类的基底材料，其中以固定浓度嵌入单一种类的磁性粒子。现有方法的制造能力的缺乏导致现有器件在材料选择（通常只是一种同质材料）、几何设计（通常是简单的2D或3D形状）和磁化可编程性（与几何形状、链接或恒定强度耦合）方面受到严重限制。所有的这些限制了当前软体机器人的设计空间、小型化和功能，它们还阻止了理论上有前途的设计的物理实现，或迫使它们在功能上妥协。
针对这些挑战，近日土耳其科奇大学MetinSitti团队以题为“Voxelated three-dimensional miniature magnetic soft machines via multimaterial heterogeneous assembly”在《Science Robotics》上 道了一种三维异质磁性软体机器人制备工艺。采用夹具辅助的三维异构集成方法来组装微尺度的构建块，即体素，用非磁性和磁性多材料、三维复杂几何和磁性编程来制造小型磁性软体机器人，实现了3D到3D的形状变形。这种方法扩大了柔性机器人设计空间，并大大增强了其功能。能够创建功能性机器人，具有复杂的设计，适合特定的生物医学应用。
图1：基于异质集成小型磁性软体机器人的三维制造方法。
（A）具有不同材质、不同形状和不同磁化轮廓的体素被一种粘合剂集成在一起，以建立软体机器人。（B）粘合剂以两种不同的方式连接相邻体素：面键合和边键合，这两种方式对外部磁场响应不同。（C）通过在指定的三维位置和方向组装多个异质体素，制作了一个具有两个相互连接的圆环的软体机器人示例。插图显示了使用两种连接方式的地方。（D）所制备的软体机器人实验表明，有负泊松比的特性的三维力学超材料符合设计的形状-变形行为。
图2：夹具辅助制作三维环的示意图。
（A）环和它的体素的设计。（B）夹具设计和制造方法的原理图和实验图。在1.8 T的可控均匀磁场下，采用VSM对体素进行定向磁化，用于边键合的夹具有很长的狭缝，以避免体素插入夹具时体素之间的强磁相互作用。通过盖口加入粘结剂，形成边粘结。接下来，将磁性和非磁性体素插入由TPP或模具铸造制成的2D夹具中。它们通过面粘接组装成一个（半）环。（C）将环和两个半环插入3D夹具（由基于TPP的3D微打印制造），通过面粘接组装创建3D软体机器人。
图3：三维磁化剖面的分辨率表征和创建。
（A）棋盘组装的原理图和扫描电镜图像。通过对其近地表磁场的法向分量的测量，验证了棋盘格具有非均匀磁化剖面。（B）3个边长为100 μm的立方体素以不同的方向被磁化。通过测量他们各自的Bv来验证他们各自的磁矩mv。（C）不同MMP浓度和不同磁场强度下100 μm侧棱立方磁体素的实测和理论磁化值。柱状图和误差棒分别表示同一组中三个样本测量值的平均值和标准差。“*”表示与背景噪音难以区分的测量值。（D）一个空心立方体六个面的磁化轮廓含有字母和符号。使用磁场成像仪器对每个面进行成像，显示不可见的字母和符号。
图4：展示不同特性的微型软体磁性机器人。
（A）具有负泊松比的三维力学超材料的空心立方体框架机器人：当Bc存在时，它在三个方向收缩。（B）具有复杂刚度分布的花形体机器人。其中3片花瓣在较低场强时先开放，随着Bc的增大其余3片花瓣再开放。（C）由两层磁性体素制作的具有定向关节弯曲的海星状机器人。存在Bc时其扁平体垂直方向膨胀，水平方向收缩。（D）由两个圆柱形零件组成的胶囊状机器人，两圆柱体嵌入具有不同抗磁性的MMPs。由于两部分之间的磁性相互作用，它保持闭合。在脉冲再磁化场中，具有较低抗磁性的部分逆转其磁矩方向，使磁相互作用由吸引变为排斥，从而使胶囊打开。
图5：具有潜在生物医学功能的微型无线柔性蠕动泵。
（A）肠蠕动软泵。管状泵在旋转的Bc下形成行波状变形。（B）当机器人放置在容器底部时，当其蠕动波向下传播时，机器人泵送小鼠全血。并对不同抽运方向的抽运实验结果进行了比较。（C）泵在空气中输送一个直径为1 mm的固体聚氯乙烯球体。球的位置是用红色虚线圈标出的。（D）不同磁场强度和旋转频率下泵浦性能的表征。
图6：具有潜在生物医学功能的微型无线软胶囊。
（A）胶囊的示意图，其内部液体按需通过其设计的顶部开口弹出。（B）胶囊在胃膜表面滚动，并按需释放一种食品染料。将5个胶囊一起移动和激活以释放内部药液。（C）胶囊采集液体样本用于未来可能的原位液体活检应用。（D）胶囊最初装满了红色食用染料，然后淹没在清水中。它在一个表面上来回滚动30分钟。然后，胶囊被激活，将内容物喷射到它的腔室中。（E）胶囊既充满液体食用染料又充满空气。在清水中浸泡30分钟观察扩散情况。接下来，它被激活排出腔室中的空气，然后排出液体食用染料。
图7：具有潜在生物医学功能的微型无线柔性锚机器人。
（A）在具有流体（水）流动的管状体内部按需锚定和释放：（i）松弛状态和（ii）激活状态。（B）机器人适应直径动态变化的工作环境。（C）在合成管中锚固和货物交付演示。（i）机器人进入工作空间。锚机器人在运动过程中始终处于激活状态。（ii）锚定机器人恢复松弛状态，锚定在所需位置。（iii）连接在锚定机器人上的软胶囊被激活，在目标位置释放液体货物（此处为染料）。（iv）再次激活锚定机器人并将其拉离工作空间。（D）未来血管再生应用的活干细胞集成机器人演示。（i）捕获间充质干细胞的微笼作为细胞支架异质地整合到锚定机器人的表面接触区域。（ii）该机器人将活干细胞整合到其体内。细胞培养24小时后的放大荧光光学图像显示，细胞在笼表面存活并扩散，没有明显的毒性作用。
文章信息：
J.Zhang, Z. Ren, W. Hu, R. H. Soon, I. C. Yasa, Z. Liu, M. Sitti, Voxelated three-dimensional miniature magnetic soft machines via multimaterial heterogeneous assembly. Science Robotics 6, eabf0112 (2021).
https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabf0112
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