微型軟體機(jī)器人在體內(nèi)/體外生物醫(yī)學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，柔性機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)研究方面已取得了大量的成果，但在環(huán)境感知、遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)确矫孢€存在較大的挑戰(zhàn)，離實(shí)際應(yīng)用還有不小的距離。香港城市大學(xué)（香港城大）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)基于此前研發(fā)的多足軟體機(jī)器人（Nat.Com. 2018，9（1）： 1-7）及微能源收集技術(shù)（Joule 2018， 2（4）： 642-697），在微型機(jī)器人上集成了驅(qū)動(dòng)、感知、信號(hào)傳輸?shù)葐卧?，通過(guò)耦合磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)，研制了一種可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制移動(dòng)、周?chē)h(huán)境感知和遠(yuǎn)程通訊為一體的無(wú)栓系微型軟體機(jī)器人。

相關(guān)成果由香港城大的申亞京課題組與楊征保課題組以《基于耦合磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制移動(dòng)、感知和通訊的毫米級(jí)軟體機(jī)器人》（Battery-Less SoftMillirobot That Can Move， Sense， and Communicate Remotely by Couplingthe Magnetic and Piezoelectric Effects）為題目，于近日發(fā)表在綜合期刊《尖端科學(xué)》（Adv. Sci.2020， DOI:10.1002/advs.202000069）上。

該微型機(jī)器人將機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元和感知單元集成在一個(gè)多層薄膜（《0.5 mm）內(nèi)，下部的仿生多足磁性復(fù)合材料肢體可提供驅(qū)動(dòng)力，而柔性壓電陶瓷復(fù)合薄膜可提供感知功能。論文的共同第一作者，香港城大生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系博士后陸豪健說(shuō)：“現(xiàn)階段對(duì)于微型軟體機(jī)器人來(lái)說(shuō)，感知能力與運(yùn)動(dòng)性能的完美集成是一個(gè)挑戰(zhàn)。這項(xiàng)工作借鑒了此前工作多足結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以保證其運(yùn)動(dòng)性能，同時(shí)利用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID），將三個(gè)重要模塊，即上層的近場(chǎng)通信（NFC）電子模塊，中間的壓電感知（PEG）模塊和底部的多足軟體驅(qū)動(dòng)（MSR）模塊（如圖1所示）集成在總體尺寸小于10×30 mm2的機(jī)器人上，其大小僅與指尖相當(dāng)。在外部的磁驅(qū)動(dòng)下，該微型軟體機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)、環(huán)境監(jiān)控和無(wú)線(xiàn)通信，而無(wú)需任何負(fù)載電池或外部有線(xiàn)電源?！?/p>

圖1 無(wú)栓系微型軟體機(jī)器人的三個(gè)組成模塊

此前，香港城市大學(xué)（香港城大）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種可在干燥和濕潤(rùn)環(huán)境下運(yùn)動(dòng)的仿生多足軟體機(jī)器人，該機(jī)器人可以通過(guò)磁場(chǎng)的控制，用拍打的方式或左右擺動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)，并且可以負(fù)載超過(guò)自身重量百倍的物體移動(dòng)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用（如圖2所示）。

圖2 仿生多足軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)

此次研發(fā)的機(jī)器人，在此基礎(chǔ)之上集成了三個(gè)重要模塊，分別承擔(dān)信號(hào)傳輸，傳感識(shí)別和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的任務(wù)。其中NFC的使用可以使無(wú)線(xiàn)通信模塊能夠獲取無(wú)線(xiàn)信號(hào)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺魏蜰FC支持的消費(fèi)類(lèi)設(shè)備，例如智能手機(jī)和計(jì)算機(jī)。PEG模塊由壓電陶瓷復(fù)合材料（鋯鈦酸鉛PZT和聚二甲基硅氧烷PDMS），兩層銀電極和基底（PI膜和PDMS膜）構(gòu)成，其產(chǎn)生的壓電信號(hào)能夠用于對(duì)外界環(huán)境的感知。MSR模塊由PDMS和磁性顆粒復(fù)合材料構(gòu)成，其下方獨(dú)特的多足設(shè)計(jì)減少了軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的表面接觸面積。

圖3 PEG模塊在不同壓力和彎曲狀態(tài)下的壓電響應(yīng)

除了多功能的集成，用于制作壓電感知模塊（PEG）的設(shè)計(jì)也很重要。論文的共同第一作者，香港城大機(jī)械工程學(xué)系在讀博士生洪穎說(shuō)：“與傳統(tǒng)的將壓電陶瓷粉末和高分子材料直接混合制成的壓電陶瓷/高分子復(fù)合材料不同的是，這次我們基于紙模板制備了一種具有連續(xù)3D陶瓷框架的壓電泡沫復(fù)合材料，讓其具有更好的機(jī)械特性和壓電特性（如圖3所示）。與傳統(tǒng)方法相比，這種無(wú)縫集成的全軟體結(jié)構(gòu)，能夠很好地發(fā)揮全軟體機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

圖4 PEG模塊分別在壓縮和彎曲狀態(tài)下的循環(huán)特性

洪穎補(bǔ)充道：“此外，這種壓電陶瓷復(fù)合材料同時(shí)具有很好的抗疲勞特性，在十萬(wàn)次壓縮及一萬(wàn)次彎曲循環(huán)中都能保持很好的壓電響應(yīng)（如圖4所示），保證了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力?！?/p>

圖5 微型軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生的壓電信號(hào)

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)外界磁場(chǎng)的控制，微型軟體機(jī)器人可以以拍打的方式向前移動(dòng)，其本身的PEG模塊可以產(chǎn)生相應(yīng)的壓電信號(hào)（如圖5所示）。值得指出的是，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓電信號(hào)會(huì)隨著接觸界面的不同而發(fā)生變化，例如剛性平面界面可以產(chǎn)生突變信號(hào)峰，剛性臺(tái)階界面導(dǎo)致信號(hào)峰值降低，柔性臺(tái)階界面可以得到一個(gè)非常平穩(wěn)的信號(hào)波，液體界面由于表面張力的影響會(huì)產(chǎn)生雙峰信號(hào)?！霸谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人的針狀足，就像無(wú)數(shù)個(gè)AFM探針一樣不斷地對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行掃描（如圖6所示），我們期望將來(lái)能將這種技術(shù)用于體內(nèi)不同區(qū)域的檢查，如是否發(fā)生病變等。”陸豪健博士說(shuō)道。

圖6 微型軟體機(jī)器人通過(guò)不同界面時(shí)的壓電響應(yīng)
責(zé)任編輯:pj