仿生鱼群式磁控软体机器人集群：定向聚集与形态自适应附着助力高效靶向给药

本研究针对微型磁控软体机器人因个体尺寸限制导致的病灶覆盖不足问题，受鱼类迁徙觅食行为启发，开发了具有仿生游动能力的鱼形磁控软体机器人集群系统。通过利用振荡磁场频率趋近机器人固有频率时恒定分量主导游动方向的特性，实现了全局磁场驱动下的个体差异化方向控制，使集群能够主动定向聚集至靶向病灶区域，并在抵达后通过形态自适应附着实现高效药物递送。该工作为微型机器人集群在生物医学领域的应用提供了新技术路径。

在生物医学领域，微型无缆软体机器人因其良好的组织相容性、功能化尺寸和灵活运动能力而展现出巨大应用潜力。然而，单个机器人的微小尺寸与病灶区域之间存在的覆盖面积不匹配问题，严重限制了其药物递送效果。正如自然界中小鱼通过集群迁徙和觅食行为提高生存率，研究人员开始探索通过机器人集群协同来突破个体能力限制。但现有磁控软体机器人的集群协调方法仍存在明显不足：一方面，尺寸限制使得机器人无法集成自主硬件，主要依赖外部磁场驱动，而工作空间内全局一致的磁场信号导致所有机器人接收相同控制输入，阻碍有效协调；另一方面，在过渡雷诺数环境中运行的磁控软体机器人涉及复杂运动机制，使得适用于低雷诺数环境的简单微纳粒子集群协调策略不再适用。

针对这些挑战，哈尔滨工业大学的研究团队在《National Science Review》上发表了一项创新研究，他们受鱼类迁徙和觅食行为启发，开发了一种鱼形磁控软体机器人集群协调方法。该研究通过简化设计实现机器人的规模化制备，单个机器人能够在振荡磁场和梯度磁场驱动下实现受限6自由度仿生游动。更重要的是，研究人员发现当驱动频率接近机器人固有频率时，振荡磁场的恒定分量会独特地主导游动方向，这一关键特性使得通过编程恒定分量的空间分布模式，能够在全局磁场驱动下实现个体游动方向的差异化控制。

研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究：开发了基于硬磁弹性体材料的鱼形机器人高通量制备工艺；建立了包含八组电磁线圈的磁驱动系统，可独立编程恒定磁场和交变磁场分量；通过湿模态仿真和复杂正交分解方法分析机器人的振动特性；利用流体-结构相互作用模拟研究机器人的游动机理和集群相互作用；并通过离体实验验证集群在复杂环境中的性能。研究队列包括模拟生物环境下的机器人集群行为测试以及离体胃部病灶模型实验。

鱼形受限6自由度游动的高通量制备机器人

机器人采用硬磁弹性体头部和硅胶尾部的矩形薄膜结构，最终尺寸优化为2mm×0.03mm×0.5mm，头尾比例13:7。通过激光制造技术实现规模化生产，机器人之间通过PVA薄膜连接实现同步释放。在由恒定磁场B_const和交变磁场B_altersin(ωt)叠加形成的振荡磁场B(ωt)驱动下，机器人头部受磁力作用带动尾部拍动，产生类似鱼类游动的推进力。实验和仿真结果显示尾部涡旋对脱落形成反向冯·卡门涡街，与真实鱼类游动特征相似。结合梯度磁场提供的磁力控制，机器人可实现俯仰、偏航、滚动三种旋转自由度，水平和垂直两种平移自由度，以及前进游动的约束自由度，总计达到受限6自由度运动能力。

具有更多自由度的微型游动机器人的机动性与应用

机器人展现出卓越的机动性，可通过视觉闭环控制精确跟踪预设轨迹，在二维和三维空间中灵活导航。水平和垂直平移能力使机器人能够抵抗重力影响，在推进力不足时通过垂直平移上升。在逆流游动时，机器人可通过平移运动调整位置，避免因俯仰或偏航调整导致的逆流速度分量减小而游动失败。此外，机器人还能执行三维物体运输任务，通过体侧附着捕获物体，在目的地通过增加推进磁场诱发更大振动幅度来释放物体。作为高效无创生物粘附平台，机器人能精确附着于膀胱离体病灶，通过水平平移使侧面接触病灶并在梯度力作用下紧密粘附。

全局磁场驱动下的机器人个体差异化方向调控

参数实验发现，当交变分量频率(f)增加并接近机器人在流体中的一阶固有频率(f_n)时，恒定分量与交变分量之间的夹角(θ_B)偏离90°将不再影响速度方向与恒定场方向的偏离角(θ_v-B)。这一特性源于软体机器人薄板结构对不同频率输入激励的差异化振动响应：低频时主要表现为刚体旋转，θ_B影响机器人取向；频率接近或超过固有频率时，响应转变为振动变形，交变激励方向仅影响能量传递效率而不决定决定游动方向的空间取向。因此，在均匀交变磁场(f≈f_n)下，通过编程恒定分量B_const的空间分布即可差异化引导工作空间内每个机器人的游动方向，从而诱导集群行为。

个体间距离调控

集群中机器人之间的表面粘附会通过形成不必要的连接破坏集体行为。研究发现，两个机器人通常横向接触，后部机器人的头部通过表面粘附力与前部机器人头尾连接处对齐。振荡角速度(ω_s)产生的流体阻力可抵抗这种粘附导致分离。通过提高交变分量磁通密度振幅(B_alter)可增加ω_s促进分离，同时采用胎牛血清处理降低粘附强度P_adh至合适范围。此外，附近机器人的运动趋势主要由磁力(F_B)和流体冲击压力(F_imp)决定，仿真显示在较弱交变磁场下，流体排斥弱于磁吸引力会导致机器人相互靠近，因此需要采用较高B_alter值防止机器人接近。

Balter=3mTand 9mT, the average Fimp-yon a single robot over one cycle is-0.061 μNand-1.749μN, respectively.(g) The simulation result of the velocity magnitude(colored map) and velocity vector field(black arrows) around two robots during a motion cycle at Balter=3 mT and 9 mT. A larger alternating component results in faster fluid flow and greater impact pressure. Scale bar, 1 mm.(h) Feasible domains of magnetic field parameters for swarm coordination(spaces highlighted by red lines).'>

集群主动分散与聚集行为实现病灶靶向富集

通过调控恒定分量的发散和汇聚，集群能像鱼群一样分散和聚集。研究人员设计了具有均匀交变磁场分量和高度非均匀恒定磁场分量的磁环境，通过交替改变恒定分量方向，引导机器人集群在三维空间中切换分散和聚集状态。集群还能依次在多目标位置聚集，或先分散后聚集。这种分散和聚集能力使机器人集群能够适应复杂环境：分散可通过障碍阵列中的狭窄间隙避免拥堵，聚集则可通过单一通道。离体实验证明，聚集的集群在梯度力作用下能有效覆盖病灶，在胃部模型中，PVA水解5分钟释放机器人集群，集群沿汇聚磁场聚集至病灶部位并粘附。

界面形态调控与运动优化病灶覆盖

抵达病灶所在界面后，机器人集群可像医生鱼群一样调控形态和运动。通过规划各线圈激励，产生具有均匀交变分量B_altersin(ωt)和向界面汇聚的恒定分量B_const的复合振荡磁场。在多种力作用下，机器人在长度L_r区域内往复运动，如同在鱼塘中。通过保持高B_alter同时调整U_const可调控集群形态，集群在界面上扩展然后收缩。叠加均匀水平恒定磁场可改变恒定磁场分量的汇聚点，从而控制集群在界面上的运动。集群能调节形态和运动进行更大物体运输，如收缩像爪子一样抓取物体，移动至目标位置后扩展释放。强交变分量提供足够推进力使集群适应复杂环境，如在斜面上调整位置甚至克服重力在天花板上运动。机器人集群可通过超声技术成像，在模拟体内混浊非均匀液体环境的稀淀粉溶液中，超声能清晰成像集群运动。

研究结论与讨论部分强调，该工作通过个体差异化方向控制和个体间距离调控，实现了能够执行复杂鱼类集体游动行为的微型磁控软体机器人集群。个体机器人采用硬磁弹性体材料异质头尾结构设计，可通过高通量工艺制造。在振荡磁场和梯度磁场驱动下实现受限6自由度运动。实验发现当振荡磁场频率接近液体中机器人固有频率时，游动方向不受振荡场恒定分量和交变分量夹角影响，而完全由恒定分量控制，使得工作空间内机器人能沿恒定分量确定的路径模式游动。同时，通过合适强度的交变分量产生的流体排斥力可协调机器人间距离。通过动态编程恒定分量的空间分布模式并微调均匀交变分量强度，机器人集群能像迁徙鱼群一样在三维水环境中分散和聚集，也能通过磁场和界面约束控制形态和运动，像觅食鱼群一样在鱼塘中调整形态。该机器人集群可用于靶向病灶部位并积累，适应其形状实现有效药物递送。

该研究为通过外部磁场作为约束引导集群形成提供了见解和指导，这种约束不一定意味着有形边界，而是通过无形磁场约束个体游动方向引导集体行为出现。增加电磁体数量或使用移动电磁体不仅能丰富恒定分量的空间分布以促进更复杂集群行为出现，还能减少奇点出现。其他约束方法如声场或柔性边界可能诱导新行为。根据特定任务调整鱼形磁控软体机器人的表面粘附强度至关重要，如个体机器人执行三维运输任务需要高粘附，而适度粘附有利于稳定游动和组装机器人易分离。对于机器人集群，较低粘附防止粘附导致的游动失败，而高粘附对于锚定病灶部位抵抗流体冲刷至关重要。未来临床研究应关注机器人集群的递送和回收，同步释放机器人阵列可设计为折纸结构，由连续体机器人递送入体后主动展开释放机器人集群，或连续体机器人直接递送集群减少部署时间。该机器人平台的治疗载荷设计需要仔细考虑药物-材料相互作用和释放动力学，可实施各种药物加载策略，包括物理吸附到机器人表面、制造过程中封装在聚合物基质内或化学偶联到机器人外部官能团。例如可考虑用可生物降解软材料替代硅胶，附着在病灶上的可降解机器人集群将缓慢降解释放药物，而剩余的生物相容性SiO₂涂层钕铁硼微粒将通过代谢过程排出体外。预计在先进成像技术支持下，该机器人集群未来将用于临床治疗载荷的安全高效递送。