摘要
磁性微型机器人是一种无需外部连接的执行器，它们有望使现有的微创手术变得更加安全和无痛，并实现前所未有的治疗方法，因为它们比现有的手术机器人体积更小、灵活性更高。然而，这类执行器的功能通常最多只有两种，运动自由度（DOF）有限，或者只能在强外部磁场的近距离（<4厘米）内工作。在这里，我们介绍了一种具有精心设计的对称性和异质材料特性的智能磁性复合材料。利用这些复合材料，我们制造了一种毫米级的软体机器人，其磁化特性可以重新编程，用于给药、切割生物组织、抓取和储存生物样本以及远程加热。由于具备完整的六自由度运动，包括围绕其净磁矩的第六自由度旋转，我们的软体机器人还可以在结构复杂的非结构化环境中滚动和爬行，而这些环境是五自由度执行器无法通过的。由于施加的磁场相对均匀且强度较低（驱动时为10–30毫特斯拉，0.21–0.31特斯拉/米；重新编程时为60–65毫特斯拉），因此它们理论上可以安全地穿透人体组织，并在超过5厘米的距离上进行操作。
1 引言
微型机器人是毫米级或更小尺寸的无需外部连接的执行器[1-3]。由于这些执行器比现有的宏观尺度手术机器人体积更小、灵活性更高，它们有潜力使微创手术变得更加安全和无痛[4-6]。此外，由于微型机器人能够进入人体内高度受限和封闭的空间[7-9]，它们未来也有望实现前所未有的微创治疗方法[10-12]。在微型机器人中，磁性驱动的机器人尤其具有前景，因为它们被认为是功能最强大、灵活性最高的[13-15]。这种特性是因为与其他通过热[16]、电[17]、光[18]、化学物质[19]和压力[20]驱动的微型机器人不同，磁性微型机器人的驱动场不仅可以指定强度，还可以指定方向和空间梯度[21-23]。由于磁场可以无害地穿透生物组织，这种驱动方法也适用于微型机器人的靶向医疗应用[24-26]。磁性微型机器人分为两类。第一类具有基于黏液或液体的主体，这些机器人可以通过外部磁场主动变形并移动[27-29]。然而，这些执行器的非固体主体缺乏足够的结构强度来输出手术所需的力，并且可能会在环境中留下残留物[30-32]。这些特性通常不适合微创治疗[25]。虽然有一些基于黏液或液体的机器人可以通过相变[31]或在强磁场作用下[32]硬化，但这些机制存在几个关键缺点，使得它们不适用于手术。具体来说，这些执行器需要非常强且不均匀的磁场（20–150毫特斯拉，8–10特斯拉/米）才能硬化[32]或在冻结前达到所需的几何形状[31]。因此，它们只能在强外部磁场的近距离（<4厘米）内工作[31, 32]。这些限制对于手术来说也是不理想的，因为微型机器人可能需要进入人体深处进行治疗（>5厘米深[33]）。对于基于黏液的机器人来说，它们必须被加热到60°C以上才能触发相变机制[31]，而这样的温度也可能导致患者体内细胞死亡[34, 35]。第二类磁性微型机器人具有固体弹性体主体，不会在环境中留下残留物，并且可以从远处（<30厘米）无线驱动[36]。虽然这些特性从根本上适合医疗应用，但扩展这些弹性体执行器的功能仍然具有挑战性[37-39]。这些微型机器人通常在其整个主体上经历均匀的驱动场，因为在毫米级或更小尺度上生成空间变化的磁场非常困难[40-42]。这种均匀性对可实现的最大驱动程度构成了关键限制，从而限制了它们的功能能力[43-45]。另一个主要限制是，大多数具有弹性体主体的磁性微型机器人的磁化特性是固定的，这限制了它们能够产生的磁响应范围[46-48]。尽管一些微型机器人可以通过外部重新磁化场[3, 49]或激光[50-52]重新编程其磁化特性，但它们的磁化和硬度特性并未针对重新编程策略进行优化，从而限制了它们的功能多样性。此外，基于激光的重新编程不适合现场治疗，因为激光光无法穿透人体组织[50-52]。由于所有这些限制，现有的具有弹性体主体的磁性微型机器人无法实现超过两种内部功能[7, 14, 40]。此外，大多数这类机器人最多只能实现五自由度（DOF）的运动，因为它们无法控制围绕其净磁矩的第六自由度旋转[38, 45, 46]。因此，虽然这些执行器可以沿三个轴移动，但它们只能绕两个轴旋转[26, 41, 42]。没有完整的六自由度运动，磁性微型机器人很难在人体内的非结构化环境中导航[10, 21, 22]。尽管存在六自由度的磁性微型机器人，但这些罕见的执行器的磁化特性也是固定的[10, 21, 22]。因此，它们只能抓取[21, 22]或给药[10]。创造具有两种以上内部功能和完整六自由度运动的磁性微型机器人仍然是一个巨大的挑战。如果能够实现这样的执行器，它们将极大地改变未来的手术方式。在这里，我们介绍了一种智能磁性复合材料，这种材料具有精心设计的系统级架构，集成了具有不同矫顽力、硬度和驱动带宽的多种磁性成分。异质材料结构使得它们能够产生广泛的磁响应。通过结合具有不同矫顽力的成分，智能复合材料的选定区域可以通过60–65毫特斯拉的磁场可逆地磁化和退磁。其他具有更高磁矫顽力的区域不会受到这些磁化和退磁过程的影响。我们可以通过需求重新编程智能复合材料的磁化特性，并生成多种可寻址的磁状态。与现有的小型磁性执行器[1, 40, 41]不同，我们利用对称性作为关键的材料设计原则。我们将磁化和硬度特性编程为在多个横截面上对称。这种对称性允许对可重新编程区域内的磁矩进行确定性控制，从而实现选择性的平面特定磁机械响应。这些材料设计原则使智能复合材料的磁化和硬度特性能够与其重新编程策略相辅相成，增强其机械多样性。智能复合材料的选定成分还可以包含铁磁材料（如Fe3O4），在高频交流电（55–500千赫）下远程产生热量[53, 54]。这种能力进一步扩展了智能磁性复合材料的功能多样性，同时将热驱动与机械响应分离。通过结合对称性和异质材料特性，我们建立了一种可推广的策略，用于重新编程具有多功能行为的智能磁性复合材料。利用我们的材料设计原则和重新编程策略，我们制造了一种毫米级的软体机器人，它可以执行五种手术功能：给药、切割生物组织（明胶或鸡肝）、抓取、储存生物样本以及远程加热。由于具备完整的六自由度运动，我们的软体机器人还可以在结构复杂的非结构化环境中导航，而这些环境是五自由度执行器无法通过的[3, 47, 49]。因此，我们的执行器可以实现比现有磁性微型机器人更灵活的运动和更多的功能[37, 39, 42]；目前的五自由度和六自由度微型机器人分别最多只能实现两种和一种机械功能[10, 52, 55]。与基于黏液或液体的机器人[28, 30, 31]不同，我们的软体机器人具有必要的结构强度，可以输出足够的手术所需的力，并且不会在环境中留下残留物（见S1A,B节）。这些特性使得软体机器人从根本上适合生物医学应用[56]。为了评估我们软体机器人的安全性，我们还对其进行了与Jiang等人[57]和Yang等人[10]类似的生物相容性测试。在这些测试中，我们评估了匿名人类真皮成纤维细胞在接触我们的软体机器人后是否仍然存活。平均而言，99.08%和99.53%的匿名人类真皮成纤维细胞在接触我们的软体机器人后以及对照条件下仍然存活（见S1B节）。由于存活率高于98%，并且与对照组的存活率相似，因此我们的软体机器人是生物相容的[10]（见S1B节）。我们的磁性成分本质上是安全的，因为固化的弹性体基质有效地固定了嵌入的磁性颗粒，防止了颗粒泄漏[1, 10, 58]。我们的实验一致证实了这些结果。尽管如此，理论上可以通过在软体机器人的外部表面涂覆生物相容性薄膜来进一步防止颗粒泄漏[10, 59]。这样的薄膜将提供额外的屏障来保护嵌入的颗粒，我们希望在未来探索这种可能性。这些薄膜还有可能提高软体机器人的生物相容性，并降低其粘附性（见S1B节）。为了概念验证，我们在基于油的环境中进行了大部分实验，以降低软体机器人的表面能。我们的软体机器人有一个主体、两个柔软的触手、一个可重新编程模块和一个远程加热组件（见图1a；见S1A节）。在主体内部，有三个以旋转对称方式排列的柔软内梁（见图1b）。这些内梁可以通过主动变形来选择性地给药、切割、抓取和储存物体（见图1e–g）。通过应用我们的材料设计原则，我们也以对称方式排列了软体机器人的触手。软体机器人主体和触手内的磁化特性是预先编程的，而可重新编程模块的磁矩可以根据指令进行磁化或退磁（见图1b）。我们的远程加热组件包含嵌入的Fe3O4颗粒，在施加高频交流电（幅度：9.34毫特斯拉，频率：75.4千赫）时可以产生感应加热（见S1A节）。因此，远程加热组件被放置在软体机器人的顶部，以便更好地促进潜在的高热治疗（见图1a）。为了详细说明执行器的磁性和硬度特性，我们为软体机器人分配了一个材料坐标系，其中所有轴都用下标{M}表示（见图1ci-ii）。执行器的柔软触手沿Y{M}轴磁化，其磁化特性关于Z{M}轴对称（见图1cii）。它们还被设计为在X{M}轴上具有柔韧性，但在其他轴上具有刚性（见图1cii）。内梁的自由端沿其对应长度磁化（在图1bi中描述为微型磁铁），这些梁也被设计为在Z{M}轴上具有柔韧性，但在其他轴上具有刚性（见图1cii）。根据可重新编程模块的磁矩，所提出的软体机器人可以在几种模式下工作：运动模式或特定功能模式。当可重新编程模块退磁时，软体机器人将进入运动模式，从而可以主动控制柔软触手的变形，以采用不同的步态（见图1ciii–iv；视频S1）。通过用60毫特斯拉的均匀磁场（<1秒）快速重新编程可重新编程模块，软体机器人也可以快速切换到特定功能模式（见图2aii；视频S1和S1C节）。要恢复到运动模式，可以通过45赫兹的交流电（幅度线性衰减）快速退磁可重新编程模块（<1秒）（见图2aiv,vii,x；视频S1和S1C节）。所提出的重新编程方法理论上可以无害地穿透人体（见S7A节）。因此，所提出的重新编程策略可以在封闭空间中的执行器上实施，这些特性适合生物医学应用（见S7A节）。图1：在PowerPoint的图查看器中打开
提出的软体机器人及其重新编程策略。(a) 我们软体机器人的辅助分解视图，展示了其远程加热组件、主体、可重新编程模块和柔软触手之间的连接方式。为了便于识别软体机器人的方向，主体上的一个边缘被标为红色。为了使这些组件之间的对比更加明显，可重新编程模块和远程加热组件分别被着色为蓝色和红色。(b) (i) 其主体有三个以旋转对称方式排列的柔软内部梁。这些可变形的梁具有磁化的三角形自由端（微型磁铁），用于激活软体机器人的药物分配、切割、抓取和存储功能。(ii) 可重新编程模块的磁矩可以通过角度φ来描述。当φ等于90°、330°或210°时，软体机器人将分别处于药物分配、切割或抓取/存储模式。当可重新编程模块的磁矩可以忽略不计时，软体机器人将进入运动模式。(c) 软体机器人处于运动模式。从(i)侧面和(ii)顶视图为软体机器人分配了一个材料坐标系。顶视图去掉了远程加热盖，以便更清楚地显示可重新编程模块的磁矩方向。(iii-iv) 当施加磁场时，其触手将采用两种不同的配置。(iii) 显示了软体机器人运动模式下的局部坐标系。(d) 当软体机器人被重新编程到某种功能模式时，施加的磁场可以分解为两个分量：与可重新编程模块的磁矩平行的分量。这里以药物分配模式为例。(e) (i) 当可重新编程模块的磁矩沿着φ等于90°的轴磁化时，软体机器人被重新编程到药物分配模式。(ii) 当施加磁场时，两个内部梁会变形以伸出切割工具。(f) (i) 当可重新编程模块的磁矩沿着φ等于330°的轴磁化时，软体机器人被重新编程到切割模式。(ii) 当施加磁场时，两个内部梁会变形以将切割工具伸出体外。(g) (i) 当可重新编程模块的磁矩沿着φ等于210°的轴磁化时，软体机器人被重新编程到抓取/存储模式。(ii) 当施加磁场时，两个内部梁会变形以打开抓取器。软体机器人上的所有红色边缘都与图a中的相同。
图2：在PowerPoint的图查看器中打开
我们软体机器人的重新编程过程及其重新编程周期的特性。(a) 软体机器人可以从运动模式可逆地重新编程到其他功能模式。在其功能模式下，软体机器人可以被激活以伸出切割工具、激活药物分配机制以及打开抓取器。(ix) 在此演示中，(vi)步骤没有进行药物分配。我们的执行器可以在运动模式下主动控制其柔软触手的形状。(i) 中标注了软体机器人的主体组件。消磁场用圆圈中的正方形表示，而激活场和磁化场分别用黑色箭头和圆圈中的十字表示。虚线红色箭头表示软体机器人的运动轨迹。为了指示软体机器人的操作模式，我们在(i)-(xi)的子面板中包含了可重新编程模块的磁矩。对于(iii)、(vi)和(ix)，它们的边界用黑线加粗以提高清晰度。(b) 在100次切换测试中，软体机器人的(i)药物分配器、(ii)切割工具、(iii)抓取器以及(iv)触手的变形幅度（这些变量在图S13和S24中有定义）。x轴表示循环次数(n)。每个数据点通过五次试验进行评估。数据点的平均值和标准差分别用它们的质心和误差条表示。b(iv)中的图例适用于b(i)-(iii)。刻度尺：1毫米。在重新编程过程中，软体机器人将保持静止状态，不会产生不可控制的运动（视频S1）。这是一个关键特性，因为执行器在治疗过程中必须始终可控。目前，视频S1中的实验是在没有流体流动的静态环境中进行的。未来，我们计划将锚定机制[60]集成到我们的软体机器人中，以便在具有动态流体流动和涡流的环境中（如胃肠道）更可靠地执行其重新编程策略。由于主体和触手的磁矫顽力为93.3–614 mT（S1A节），高于重新编程场的磁矫顽力（60–65 mT），因此在重新编程过程中它们的磁化状态不会改变。一旦磁化，可重新编程模块的功能磁化强度为5.18 kA/m，但在消磁后磁化强度将减少16.8倍，几乎可以忽略不计（图S3b和S1A节）。在运动模式下，当沿ZLoco,{L}轴施加磁场时，软体机器人的触手会围绕其柔顺的X{M}轴弯曲，形成直立或倒置的“U”形（图1ciii-iv；S2A节）。一旦软体机器人变形，其物理特性可以用局部坐标系来描述，该坐标系中的所有轴都用下标Loco,{L}表示（图1ciii和3ai）。这个坐标系的轴与材料坐标系的轴重合。触手会变形，因为它们磁化轮廓中的偶极子会倾向于与施加的磁场对齐（图1ciii-iv），在其柔顺轴上产生分布扭矩[21, 22]。磁场与内部梁的磁矩之间的相互作用也会在它们的自由端产生扭矩（图1ciii-iv）。其中两个内部梁会沿XLoco,{L}轴和YLoco,{L}轴产生扭矩，而另一个仅沿XLoco,{L}轴产生扭矩（图1ciii）。然而，由于这些梁设计为在这些轴上具有刚性，因此在这样的驱动下它们只会产生微小的变形。总体而言，软体机器人的对称配置确保了只有在运动模式下触手会被激活。变形后的触手会给软体机器人带来一个与ZLoco,{L}轴平行的净磁矩（图1ciii-iv和S2节）。内部梁不会对执行器的净磁矩产生贡献，因为它们以旋转对称的方式排列（图1b）。同样，当可重新编程模块在运动模式下被消磁时，它也不会对执行器的净磁矩产生贡献。由于执行器的净磁矩与施加的磁场完全对齐，因此当触手变形为直立或倒置的“U”形时，执行器不会旋转，这是其最小势能配置（S2B节）。由于软体机器人总是在激活时处于最小势能配置，即使磁场没有完全沿ZLoco,{L}轴施加，也会出现类似的变形结果（S2B节）。
图3：在PowerPoint的图查看器中打开
当软体机器人被重新编程到运动模式时的运动情况。(a) (i)-(ii) 软体机器人可以分别绕其XLoco,{L}轴和YLoco,{L}轴旋转。软体机器人的局部坐标系显示在(i)的右下角。(b) 为了展示软体机器人的第六自由度旋转（即绕ZLoco,{L}轴旋转），我们在执行器的顶部添加了一条白线，突出了视频S2中两个不同快照下的第六自由度角位移。(c) (i)-(iii) 软体机器人可以分别沿XLoco,{L}轴、YLoco,{L}轴和ZLoco,{L}轴平移。(iii)中的虚线轮廓表示执行器的初始位置。(d) (i)-(ii) 软体机器人可以分别沿其长度和宽度滚动。(e) 软体机器人可以在滚动过程中改变滚动方向，以跟踪由深蓝色线条勾勒出的路径。(f) 利用其六自由度运动，软体机器人可以跨越具有挑战性的障碍物。(g) 当软体机器人执行双锚爬行运动时，其推进方向也可以被控制。(h) 软体机器人使用双锚爬行步态爬上了15°的斜坡。(j) 利用双锚爬行运动，我们的六自由度软体机器人穿过了具有严格形状约束的挑战性障碍物。(k-l) 在空气和油环境中，软体机器人的滚动速度(vRoll)与不同频率的旋转磁场(fRoll)的关系。在这些实验中，执行器的柔软触手呈现倒置的“U”形配置。(k) 表示软体机器人沿长度滚动的情景，而(l)表示沿宽度滚动的情景。(m) 在空气和油环境中，软体机器人的双锚爬行速度(vCrawl)与不同频率的施加磁场(fCrawl)的关系被绘制出来。每个数据点通过五次试验进行评估。数据点的平均值和标准差分别用它们的质心和误差条表示。虚线红色箭头表示软体机器人的运动轨迹。刻度尺：1毫米。当软体机器人被重新编程到功能模式时，其触手和内部梁可以在激活时变形（S5节）。与运动模式类似，软体机器人在功能模式下的物理特性也可以用空间局部坐标系来描述。该局部坐标系中的轴用下标Func,{L}表示（图1d），并且与材料坐标系的轴重合。这个局部坐标系可以用于所有功能模式。通过将这些变形组件的磁矩与可重新编程模块的磁矩相加，软体机器人最终将具有与施加磁场对齐的净磁矩（图1d）。当执行器的净磁矩与施加的磁场对齐时，它们始终位于ZFunc,{L}轴和XFunc,{L}-YFunc,{L}平面之间（图S9bii,cii）。一旦对齐，当其柔顺组件变形时，软体机器人将不会旋转，这使我们能够分别分析执行器和其运动（S2节）。总体而言，软体机器人的对称配置确保了在每个功能模式下，只有触手和一对内部梁会被激活。为了说明软体机器人如何变形，我们首先将施加的磁场分解为两个分量（图1d；S9）：沿ZFunc,{L}轴的分量(i)和沿可重新编程模块磁矩的分量(ii)。磁场与触手磁化轮廓之间的相互作用将在触手的柔顺XFunc,{L}轴上产生分布扭矩，这些扭矩会使触手变形为直立或倒置的“U”形（图1ciii–iv；S2A节）。一对内部梁也会沿ZFunc,{L}轴弯曲。这是因为它们自由端的磁矩总是倾向于与施加的磁场对齐，从而在柔顺轴上产生扭矩（S2A节）。由于内部梁的磁化和刚性特性，磁场的驱动对这些梁的影响可以忽略不计。同样，由于触手的磁化和刚性特性设计得当，它们也不会因磁场而产生显著变形。为了进一步解释不同功能模式下梁的变形，我们定义了一个角度φ来描述可重新编程模块的磁矩方向（图1bii）。当这个组件沿φ等于90°、330°或210°的轴磁化时，软体机器人分别被重新编程到药物分配、切割或抓取/存储模式（图1b）。以切割模式为例，软体机器人可以通过15毫特斯拉（mT）的磁场来驱动，使一对内部梁发生变形，从而推出一个可伸缩的切割工具（见图1fii和2aiii；视频S1及S1C部分）。同样，我们的软体机器人也可以被重新编程以激活其药物分配、抓取和存储功能（见图1e,g、2av–vi,viii–ix；视频S1及S1C部分）。与运动模式一样，即使其净磁矩最初没有完全对准施加的磁场，在功能模式下，软体机器人最终也会呈现出最低的势能配置（见S2B部分）。在这种情况下，软体机器人会产生类似的变形效果，同时还会旋转，直到其净磁矩与磁场对齐（见S3B部分）。为了更直观地评估执行器主体中梁的变形情况，我们还制作了一个软体机器人的复制品，将其主体放置在远程加热组件上方（见图S14–S16）。理论上，当这个复制品被激活时，它的运动和变形将与图1e–g中的软体机器人相似。在图S14–S16中，我们展示了这个复制品可以根据重新编程的功能模式来打开药物分配器的门、伸出切割工具或伸展抓具。这些实验结果与我们的理论预测一致（见图1e–g；S2部分），证实了软体机器人可以按预期被激活。除了图2；视频S1外，我们在图S30–S47中记录了所有的驱动磁场。这是因为在像图3g这样的实验图像上绘制三维时间向量及其空间梯度非常具有挑战性。通过移除这些驱动磁场，我们可以在正文的图表和视频中更清晰地展示执行器的运动。为了评估软体机器人是否可以可靠地从一种模式重新编程到另一种模式，我们对其进行了100次循环的切换测试（见图2b）。每次循环包括对软体机器人的可编程模块进行磁化然后去磁化。在每20次这样的切换测试后，会使用9毫特斯拉和18毫特斯拉的磁场分别驱动机器人的软触手和内部梁，以评估它们的变形情况。在药物分配、切割和抓取/存储模式下，分别测量了药物腔室门之间的最短距离（aDisp，见图2bi）、切割工具的伸出距离（aCut，见图2bii）以及抓具之间的最短距离（aGrip，见图2biii）（见S13部分）。对于运动模式，我们测量了软体机器人变形触手的幅度（aLoco，见图2biv；S24e）。在图2b中，n代表循环次数，结果显示软体机器人在100次循环的切换测试中产生了稳定的变形。这表明我们的软体机器人确实可以可靠地在功能和运动模式之间切换，且其机械性能没有明显下降。切换测试还表明，经过连续重新编程后，软体机器人的触手和内部梁的磁剩磁几乎没有减少，因为在这些测试中观察到了相似的变形。因此，这些切换测试后软体机器人的磁性质保持不变。为了评估软体机器人的耐用性和疲劳情况，我们还使用15毫特斯拉的磁场连续对其软触手和内部梁进行了200次变形测试（见S24a–d；S7C部分）。在这些驱动后，观察到软触手和内部梁的变形幅度保持一致。这表明我们的软体机器人几乎没有磨损，并且在200次驱动后没有显示出疲劳的迹象（见S24a–d）。当软体机器人被重新编程到运动模式时，其净磁矩会增加，触手的变形也会增加，且触手的曲率与施加的磁场强度之间存在正相关（见S2A、S3A部分）。由于软体机器人的净磁矩总是倾向于与磁场对齐，因此通过控制磁场的方向，该执行器能够生成两个旋转轴（例如，图3a中的磁场强度为15毫特斯拉；视频S2及S2B和S4A部分）。然而，要围绕软体机器人的净磁矩（即第六自由度轴）旋转[21-23]，必须施加适当的磁空间梯度（见图3b；视频S2及S2B和S4A部分）。我们的软体机器人可以在其三个独立轴上实现1.56–16.5弧度/秒的角速度（见图3a,b；图S16a及视频S2和S4A部分）。通过施加其他磁空间梯度（0.21–0.31特斯拉/米），软体机器人还可以沿三个独立轴以0.126–0.911毫米/秒的速度平移（见图3c；视频S2和S4A部分）。图3a–c中的实验表明，我们的执行器具有六自由度运动，因为它可以产生三个独立的旋转和平移轴[21-23]。为了在基于油的环境中使软体机器人克服重力，我们在执行器中添加了一个浮力组件以增加其浮力（见图3c；视频S2和S4A部分）。由于电磁线圈系统的限制（见S1D部分），而不是由于软体机器人的工作原理（见S4A部分），需要这个浮力组件。我们的软体机器人可以在运动模式下滚动和采用双锚爬行方式。滚动是陆地运动中最快的方式之一[1, 8, 22]。因为我们的软体机器人具有六自由度，它可以选择沿长度或宽度滚动，并通过控制其第六自由度的角位移来调整滚动方向（见图3d,e；视频S3和S4B部分）。这种步态下，软体机器人的速度可以达到1.29–6.75毫米/秒（使用20毫特斯拉的磁场和0.1–1赫兹的频率，见图3k,l；S4B部分）。沿执行器宽度滚动比沿长度滚动慢，但其较小的滚动半径使得软体机器人能够通过更狭窄的开口（见图3f,k–l）。因此，我们的软体机器人非常坚固；它可以沿长度滚动以快速穿越无障碍地形，或者如果需要克服狭窄开口的障碍物，也可以沿宽度滚动（见图3f；视频S3和SI部分S4B）。当软体机器人以1赫兹的频率滚动时，观察到速度有较大偏差，因为它开始打滑。在该频率下可能违反了无滑移边界条件，因为软体机器人无法从基底产生足够的摩擦力（见图3k）。在图3l中，当软体机器人在油环境中滚动时，其滚动速度与驱动场的频率（fRoll）在0.75赫兹以上没有正相关，因为它达到了其步出频率。由于空气的粘度低于油，因此在空气中滚动时，软体机器人没有达到整个fRoll范围内的步出频率。结果，软体机器人在空气中的滚动速度在整个fRoll范围内都呈正相关（见图3l）。我们的软体机器人还可以通过交替使用触手的自由端作为锚点来进行双锚爬行（见图3g；图S20和视频S4及S4C部分）。这种步态可以通过围绕软体机器人的XLoco,{L}-轴旋转不同强度的磁场（8至22毫特斯拉）来激活（见图S20；S4C部分）。基于这种步态，软体机器人可以实现0.4–1.06毫米/秒的速度（见图3m；S4C部分）。由于我们的软体机器人具有六自由度，并且可以通过双锚爬行运动精确控制步长，它可以控制爬行方向，爬上斜坡并穿越形状受限的障碍物（见图3g–j；视频S4和S4C部分）。凭借这种高灵活性，我们的软体机器人将有很大的潜力在人体内的高度非结构化环境中穿行。当软体机器人通过运动模式到达目的地后，可以将其重新编程为所需的外科手术模式。虽然我们的软体机器人在其功能模式下无法执行双锚爬行运动，但它仍然可以实现六自由度的滚动或旋转行走步态（见S2B和S5C部分）。滚动比旋转行走更快，但后者可以在运动过程中保持直立姿态。由于分析六自由度微型机器人的运动时，当其净磁矩与局部坐标系中的一个轴对齐时更有优势，我们为每种功能模式引入了额外的空间坐标系。这些坐标系分别用下标Disp,{S}、Cut,{S}和Grip,{S}表示，对应于软体机器人的药物分配、切割和抓取/存储模式。软体机器人的局部坐标系和空间坐标系之间的详细映射在SI部分的S2B和S3B中有说明，并在图S12中展示。当软体机器人被重新编程为药物分配模式时，它可以滚到目标位置并分配模拟的固体药物（见图4a；视频S5和S5A部分）。如果需要软体机器人输送液体药物，这些药物可以储存在可生物降解的胶囊中，以便执行器将这种固体药物输送到目标位置[9]。从医学角度来看，使用微型机器人输送药物具有很大优势，因为与传统通过人体循环系统输送药物的方式相比，这些执行器的输送效率可以提高78.6倍[10, 44, 61]。我们的软体机器人理论上能够携带的最大药物量足以用于靶向药物输送治疗，因为它携带的药物量是实际靶向化疗应用所需量的两倍（见S5A部分）[44]。我们还研究了主要利用磁力来驱动执行器穿透明胶的可行性，明胶来源于生物组织（施加的磁空间梯度为1.5 T/m，见图4c；视频S6和第S5B节）。在这个实验中，我们首先通过施加29.2 mT的磁场来突出软机器人的切割工具（见图4ci-ii；视频S6和第S5B节）。随后，施加1.5 T/m的磁空间梯度，使软机器人移动直到与明胶接触并最终穿透它（见图4ciii-iv；视频S6和第S5B节）。从驱动的角度来看，虽然也可以通过这种磁力切割生物组织，但使用18–22 mT的磁场可能比1.5 T/m的磁空间梯度更容易让软机器人进行切割。未来，我们计划研究是否可以通过同时施加磁场和磁空间梯度来提高软机器人的切割效率。我们切割机制的一个显著优点是，可伸缩的切割工具可以安全地隐藏在软机器人的主体内部。我们的软机器人还可以重新编程以实现抓取功能；当施加25 mT的磁场时，一对夹子会从软机器人的主体中伸出（见图5a-b）。由于我们已经根据不同的磁场强度表征了它们的伸展情况（见第S3B节和第S5C节），因此可以精确控制这些夹子。为了展示软机器人的抓取功能（见视频S7），我们命令它分别拾起一块鸡肝（见图5a）和一个聚氯乙烯（PVC）物体（见图S22a）。随后，这些货物通过旋转行走运动被运输到目标位置（见图5a；图S22a和视频S7）。利用其夹子，我们的软机器人还能举起一个3.11毫克的PVC物体（磁场强度为10–28 mT，见图S21c）。由于我们的执行器具有常闭的抓取机制，增加磁场强度通常会导致机制进一步打开，从而放松抓握。抓取机制可以通过在继续切割前将部分切割出的组织调整到更有利的方向来辅助切割过程。这在切割过程中非常重要，因为它可以帮助外科医生避免切除健康的组织。此外，抓取功能还可以让软机器人拾起并随后包裹切除的组织（见视频S7），这通过鸡肝组织（见图5bi–iii）或PVC物体（见图S22bi–iii）进行了模拟。切除的组织存储在执行器的主体后，软机器人可以再次重新编程为运动模式（见图5biii–iv；图S22biii-iv和视频S7）。这确保了抓取功能不会意外激活并释放包裹的组织，并且软机器人可以安全地存储和运输样本以供活检。由于我们的软机器人能够抓取、存储和运输鸡肝（磁场强度为10–30 mT，见图5b），这表明它可以有效地操作生物组织。理论上，我们的软机器人能够携带的样本体积也足以用于活检目的；例如，图S22b中的PVC物体体积是提取脱氧核糖核酸（DNA）和聚合酶链反应（PCR）扩增所需体积的1.78倍[16]。我们使用PVC物体作为参考，因为这种结构化物体的体积和重量比无结构的鸡肝组织更容易确定。为了评估软机器人的抓取稳定性，我们命令它在7.81–8.05 m/s的气流中抓取一块鸡肝1分钟。在整个实验过程中，软机器人能够牢固地抓住肝脏（见图S22c）。在这个实验中，软机器人的触手粘附在基底上，因为我们的主要目标是评估执行器是否能在流动中保持抓握。类似的实验也在软机器人上进行，以评估它是否能够稳定地运输物体。在这个实验中，当执行器受到20 mT、0.5 Hz的旋转磁场驱动时，软机器人能够在6.90–7.10 m/s的气流中滚动，同时将鸡肝稳定地包裹在其存储腔内（见图S22d）。
当软机器人分别重新编程为抓取/存储模式和运动模式时，其抓取器/存储器和远程加热功能。执行器可编程模块的磁矩在选定的子图的右下角标出，以指示其功能模式。这些示意图与图1.a中的类似。a) 当软机器人处于抓取/存储模式时，它可以使用旋转行走运动将鸡肝组织样本放置到绿色圆圈标记的目标位置。添加了白色轮廓线以提高抓取器的清晰度。b) (i) 在抓取/存储模式下，软机器人还可以拾起一块鸡肝组织；(ii) 并将其存储在其主体内。通过(iii)将软机器人重新编程为运动模式，该执行器随后(iv)可以通过双锚爬行步态安全地运输样本。与a)类似，添加了白色轮廓线以提高抓取器的清晰度。c) 软机器人可以远程加热放置在远程加热组件上的一层热致变色染料。这种手术功能是在软机器人重新编程为运动模式时执行的。当温度低于40°C时，热致变色染料是蓝色的，当温度达到或超过40°C时，它会变成粉红色。由于热致变色染料从蓝色变为粉红色，这意味着它已被软机器人加热到40°C或更高。在加热过程中，软机器人保持静止。d) 在软机器人执行远程加热功能15分钟后拍摄的热图像。在整个过程中，软机器人的远程加热组件与基底保持接触（接触直径：2.5毫米）。由白色虚线勾勒出的圆形区域表示基底上温度大于或等于27°C的区域；由于相机的倾斜视角，该区域看起来是椭圆形的。e) 如d所示的半径r随时间(tH)的变化。每个数据点通过五次试验进行评估。数据点的平均值和标准差分别由它们的质心和误差条表示。虚线红色箭头表示软机器人的运动轨迹。刻度尺：1毫米，除了d中的刻度尺表示1厘米。我们的执行器的远程加热功能可以在所有运动或功能模式下执行（见第S5D节）。为了实现这一加热功能，向软机器人施加高频的交变磁场（幅度：9.34 mT，频率：75.4 kHz）。由于驱动信号的频率太高，软机器人无法响应并产生任何运动，我们可以通过控制施加的磁场频率来有效地将执行器的加热功能与其运动分离。如图5c和视频S8所示，我们的软机器人可以在35秒内将温度从26.3°C升高到40°C，从而触发40°C时热致变色染料的颜色变化（见第S5D节）。能够将表面温度升高到40°C非常重要，因为这是执行各种热疗治疗的必要条件[34, 35]。由于我们的软机器人仅加热到40°C，这样的温度可以使许多用于化疗的药物保持化学稳定性和药理有效性[62, 63]。一般来说，也可以设计其他类型的化疗药物，使它们在40°C下仍然有效[63]。为了表征我们软机器人的热传递特性，我们制作了一个复制品并涂上了类似的热致变色染料（见图S25a）。施加9.34 mT和75.4 kHz的交变磁场以激活其加热功能。复制品的初始温度为24°C，实验在空气中进行。5分04秒后，复制品远程加热组件上的热致变色染料变成了粉红色，表明该组件达到了40°C（见图S25b）。当加热功能持续30分钟后，软机器人主体和可编程模块上的染料仍然保持蓝色，表明这些区域在整个实验过程中没有达到40°C（见图S25c,d）。这一观察表明，加热主要局限于远程加热组件。这些实验重复了3次，结果一致。在水环境中，对流热传递更强，因此预计从远程加热组件传递到软机器人其他部分的热量会更少。我们还通过观察基底内的热分布来评估软机器人提供靶向、局部加热的能力（见第S5D节）。在这些实验中，将软机器人的远程加热组件与基底接触，并施加9.34 mT和75.4 kHz的交变磁场15分钟。实验在空气中进行，环境和软机器人的初始温度均为24°C。在加热过程中，我们每隔2.5分钟跟踪一次基底上达到27°C或更高温度的区域。虽然这个圆形区域逐渐扩大，但其半径r在15分钟后始终保持在5.78毫米以内（见图5e）。这些实验重复了5次，结果一致。在对照实验中，我们在软机器人的远程加热组件上涂上了热致变色染料。5分04秒后，染料从蓝色变为粉红色，表明远程加热组件达到了40°C。对照实验重复了3次，结果一致。总体而言，这些实验表明我们的软机器人能够为基底提供局部加热。即使远程加热组件达到40°C，也只有机器人周围的5.78毫米半径区域超过了27°C，表明热限制非常精确。这种局部加热能力对于热疗治疗等应用很有前景[34, 35]。通过体外生物模型展示了我们软机器人的手术潜力（见图6；视频S9和S10以及第S6节）。在运动模式下，六自由度的软机器人可以在非结构化环境中滚动（见图6ai-ii；视频S9和第S6A节）。一旦软机器人到达目的地，它可以重新编程以在另一个目标位置释放模拟药物（见图6aiii；视频S9和第S6A节）。随后，软机器人可以再次重新编程为运动模式，以便用双锚爬行方式朝向合成肿瘤移动（见图6aiv；视频S9和第S6A节）。通过重新编程为切割模式，软机器人可以执行切割以移除肿瘤（见图6av；视频S9和第S6A节）。为了将切除的肿瘤运出进行活检，软机器人可以重新编程为抓取模式，将其拾起并包裹在其主体内（见图6avi-vii；视频S9和第S6A节）。最后，软机器人可以恢复到运动模式，并通过回溯入口的方式退出模型（见图6aviii；视频S9和第S6A节）。同样，软机器人也可以滚动到所需位置并执行热疗治疗（通过图6b中热致变色染料在40°C时的颜色变化来模拟；见视频S10和第S6B节）。这些演示表明，我们的六自由度软机器人能够在非结构化地形中良好导航，并且它具有弹性体身体的磁性微型机器人前所未有的功能；具体来说，现有的执行器最多只有两个内置功能[7, 22, 55]，大多数执行器的运动自由度有限[16, 37, 42]。
在体外生物模型上的实验。a) 在油中展示了软机器人的运动和四种可编程手术功能。执行器可编程模块的磁矩在选定的子图的右下角标出，以指示其功能模式。这些插图与图1中的（i）-（ii）类似。在运动模式下，这种软体机器人可以沿着其长度滚动，以到达药物分配的目标位置。（iii）通过将软体机器人重新编程为药物分配模式，它可以被激活来分配一种模拟药物，这种药物由一个蓝色PVC物体表示（尺寸为0.24毫米×0.4毫米×0.4毫米）。（iv）随后，软体机器人被重新编程回运动模式，以便它能够以双锚爬行方式朝向合成肿瘤移动（由一个红色PVC物体表示，尺寸为0.4毫米×0.4毫米×0.4毫米）。（v）在接近合成肿瘤时，软体机器人被重新编程为切割模式。激活后，软体机器人中的切割工具可以伸出，然后进行切割以移除肿瘤。为了概念验证的目的，合成肿瘤通过软质粘合剂固定在基板上，以便在实验中更容易进行切割。（vi）-（vii）之后，软体机器人被重新编程为抓取/存储模式，以在其体内抓取并存储切除的肿瘤。（viii）最后，软体机器人被重新编程回运动模式，然后通过双锚爬行方式将存储的切除肿瘤运回入口。b部分展示了执行器在空气中的运动和远程加热功能。在整个实验中，执行器都被重新编程为运动模式。（i）-（ii）软体机器人沿着其宽度滚动，到达目标加热位置（由热致变色染料标记）。当温度低于40°C时，热致变色染料是蓝色的，当温度升高到40°C或以上时，它会变成粉红色。（iii）在软体机器人的远程加热组件与染料接触后，通过交变磁场（幅度：9.34 mT，频率：75.4 kHz）激活软体机器人15分钟。这使得软体机器人的远程加热组件加热热致变色染料，最终使染料从蓝色变为粉红色。在加热过程中，软体机器人保持静止。（iv）最后，软体机器人从目标位置滚开。虚线红色箭头表示了我们的软体机器人的运动轨迹。刻度尺：1毫米。
2 讨论
我们软体机器人的一个显著优势是它具有在人体深处（皮肤下超过5厘米）进行无线控制的巨大潜力。这是因为我们的软体机器人通常只需要10–30 mT和0.21–0.31 T/m的磁场强度来实现其运动和机械功能，而重新编程则需要60–65 mT的磁场强度（见图S30–S47和第S4–S6节）。尽管创建具有这种驱动能力的电磁线圈系统仍然具有挑战性，但从理论上讲是可能的。例如，Sikorski等人的驱动系统可以通过将电磁铁安装在机械臂的末端执行器上来生成20–80 mT和0.6–1.0 T/m的磁场，并且工作空间为78.3厘米[36, 64]。这些电磁铁也可以放置在距离执行器至少五厘米的地方[36, 64]。因此，我们的软体机器人理论上不受限于实验室环境，在这种环境中，外部磁铁的驱动必须非常接近，如那些基于粘液或液体的机器人[31, 32]。在这项初步研究中，我们使用了基于实验室的电磁线圈系统来进行概念验证（见第S1D节）。该线圈系统使用OctoMag配置，已知能够生成均匀的磁场[11]。它可以在1.6厘米×1.6厘米×1.6厘米的工作空间内生成90%均匀的磁场[21, 22]。我们还使用了一对以亥姆霍兹配置排列的电磁线圈，从5.5厘米的距离生成65 mT的磁场（见图S7）。这个实验表明，我们的软体机器人确实可以通过外部电磁铁进行驱动和重新编程，这些电磁铁位于5厘米的距离。未来，我们计划使用Sikorski等人提出的类似策略[36, 64]，并使用多个机械臂来携带我们的电磁铁，从而创建一个更适合生物医学应用的驱动系统。这样的电磁驱动系统可以从10厘米的距离生成65 mT的磁场[36, 64]。我们的计算还表明，用于驱动和重新编程软体机器人的磁场强度对患者来说是安全的（见第S7A节）。在微型磁性机器人的背景下，30 mT代表了一个相对较大的磁场强度范围，因为大多数微型机器人的工作磁场强度范围在1–30 mT之间[1, 11, 38]。在我们的工作中，我们使用10–30 mT的磁场强度来驱动软体机器人的运动和手术功能，而更高的60–65 mT的磁场强度用于重新编程其操作模式。这清楚地表明了驱动和重新编程目的之间的区别。同样，软触手和内部梁在93.3 mT的磁场强度下才会被重新磁化，这为重新编程时使用的65 mT提供了足够的安全裕度。在这项研究中，我们通过标准相机观察了软体机器人的运动。然而，我们也可以使用超声波、X射线（X-radiation）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等成像技术来观察它在人体内部运行时的位置和方向[1, 4, 5, 7, 14, 24, 25]。在这些成像技术中，超声波特别有前景，因为这种成像技术与磁性驱动可以很好地互补，彼此之间的干扰最小[1, 14]。作为概念验证的演示，我们展示了我们的软体机器人可以在驱动过程中被超声波成像。在这些实验中，一个128元素线性探头（间距0.3毫米）被放置在含有我们软体机器人的水容器上方。探头产生波长为0.197毫米的声波，并使用采样率为100 MHz的换能器来检测反射波。探头的中心频率为7.5 MHz。这种实验设置使我们能够观察到软体机器人滚动时的横截面图像（视频S11）。进行了五次试验，在这些试验中，软体机器人由20 mT的磁场以0.05 Hz的频率驱动。这些实验结果证明了可以在外部电磁铁5厘米的距离上同时使用磁性驱动和超声波成像。然而，我们注意到这些实验是初步的，超声波设置可以优化以生成更高分辨率的图像，正如之前的研究中所报告的[1]。如果软体机器人在深层组织中运行，X射线和CT扫描也是理想的替代方案，因为这些成像技术可以轻松穿透这些组织[4, 5, 7]。未来的研究需要将这些成像技术与磁性驱动结合，同时尽量减少它们之间的潜在干扰[1, 14]。使用这些成像技术，我们还旨在自动化我们的软体机器人，以进一步提高其速度和定位精度，这目前可能受到人类操作员手动控制的限制。为了实现这样的未来体内自动化，我们可以实施闭环控制，使用模型预测控制和动态规划算法等前瞻性算法[65, 66]。路径规划算法，如A*算法，也可以应用于我们的软体机器人[67]。使用这些算法，执行器可以在未来导航通过人体时避开障碍物以进行治疗[67]。我们计划在未来的体内应用中探索这些自动化策略。未来，我们还计划为外科医生创建一个主从系统来控制所提出的执行器，因为这样的系统已被证明对宏观尺度手术机器人的操作非常有效[68]。在我们的初步研究中，软体机器人在大多数实验中在空气和油等低粘度环境中运行。在类似的驱动条件下，随着周围介质粘度的增加，其运动速度理论上预计会降低[69]。这是由于执行器的速度与介质粘度之间存在反比关系[69]。虽然更高的粘度确实会降低软体机器人的速度，但从理论上讲，执行器仍然可以在这样的粘性环境中移动[70]。一种可能的补偿方法是增加驱动磁场的幅度（例如，从当前的10–30 mT增加到20–40 mT）。我们计划在未来更彻底地研究这种可能性。尽管我们的软体机器人尚未在人体内用于医疗治疗，但它已经在尽可能真实和具有挑战性的环境中进行了测试。例如，我们的软体机器人已经被部署在一个基于人体胃部几何形状的合成模型中（见图6），并且它可以在6.90–7.10 m/s的气流中滚动（见图S22）。我们还展示了我们的软体机器人可以在流动的水中滚动。在这些实验中，我们将软体机器人放置在一个水容器中，水流速度从0.368厘米/秒变化到0.580厘米/秒，以0.12厘米/秒的增量变化（见图S26）。在这些条件下，软体机器人由20 mT的磁场以0.5 Hz的频率驱动，以稳定地逆流滚动。对于每个流速，进行了五次试验，我们的软体机器人实现了6.64–7.40毫米/秒的滚动速度（见图S26a）。这些结果表明，我们的软体机器人可以在动态流动条件下以可控的方式被驱动。此外，我们还在尿液模型（合成尿液）中评估了软体机器人的运动和功能。尽管合成尿液缺乏人类尿液的完整生物复杂性（如蛋白质），但它被认为是一种仿生替代品，具有与人类尿液相似的机械和化学性质[71, 72]。使用Bohlin Gemini HR纳米流变仪测量了五个样本的粘度，结果为93,420 ± 0.0691 µPa·s。当放置在这种介质中时，我们的软体机器人可以被重新编程为运动模式，并在20 mT的磁场和0.5 Hz的频率下以6.57 ± 0.541毫米/秒的速度滚动（见图S27a；视频S11），进行了五次试验。同样，我们的软体机器人能够在合成尿液中实现双锚爬行模式，五次试验中的平均速度为0.335 ± 0.0262毫米/秒（见图S27b；视频S11）。这种步态是通过围绕软体机器人的XLoco,{L}-轴旋转不同幅度的磁场激活的。当软体机器人被重新编程为其相应的功能模式时，它能够在28 mT、31 mT和24 mT的磁场下分别执行药物分配、抓取和切割功能（见视频S11）。对于每个功能评估，进行了五次试验。这些实验结果表明，我们的软体机器人可以在合成尿液中稳定运行。未来，我们计划评估软体机器人在生物介质（如胃液、血液和胆汁）中的性能。总体而言，我们相信当前的实验结果代表了向最终部署软体机器人用于其目标医疗应用迈出的重要一步。由于评估软体机器人的可灭菌性至关重要，我们将其在高压灭菌器（Tomy SX-700）中进行了蒸汽灭菌处理。在这个过程中，机器人暴露在121°C和110 kPa的饱和蒸汽中15分钟，符合标准临床实践[73, 74]。灭菌后，软体机器人保持了在合成尿液中滚动（6.22 ± 0.125毫米/秒）和双锚爬行（0.319 ± 0.0188毫米/秒）的能力（见图S28a-b）。它还成功执行了药物分配、抓取和切割功能（见图S28c–e）。所有评估都进行了五次试验。在未来的工作中，我们计划研究机器人与其他灭菌方法（如伽马辐射或基于气体的技术）的兼容性[75]。尽管我们的软体机器人在其功能模式下也可以具有六自由度（6-DOF）的滚动能力，但在执行器处于运动模式时执行这种步态会更好。这是因为这样可以确保在软体机器人运动时不会意外激活其手术功能，正如我们在所有实验中确认的那样。尽管如此，我们已经对软体机器人进行了编程，以确保在相应的功能模式下激活其外科手术功能所需的最低激活力。实验结果表明，我们需要至少4 mT、5 mT和7 mT的激活力来分别激活药物分配器、切割工具以及夹持/存储装置（见图S13和第S3B节）。由于这一特性，在所有实验中我们都没有观察到软体机器人在移动过程中意外触发其功能。未来，我们计划调整软体机器人的硬度分布，使其所有外科手术功能只有在激活力超过10 mT时才能被激活。总之，我们提出了一种通用的重新编程策略，用于智能磁性复合材料以实现多功能行为。通过有目的地设计对称性和异质材料属性，这些复合材料展示了如何利用内在的材料设计来控制磁性和机械响应。基于这些智能复合材料，我们构建了一个高度灵巧的微型软体机器人，它可以通过磁力重新编程来分配药物、切割、抓取和存储样本，并进行远程加热。我们的执行器具有巨大的潜力来革新外科手术，并且也是智能磁性复合材料、软执行器和小型机器人技术的重要进步。
2.1 前景
为了便于表征，我们在第一项研究中制作了一个更大的软体机器人原型（长度：4.4毫米，见第S7B节）。尽管如此，这个原型有可能用于胃肠道治疗，因为这类医疗程序可以由厘米级机器人来执行[24]。将软体机器人送入胃肠道的一种潜在方法是将它包裹在一个冰块中，然后患者可以吞下这个冰块[76]。一旦冰块在胃中融化，软体机器人就可以在胃肠道中导航以执行治疗。完成任务后，执行器可以通过消化系统自然排出体外，或者改变路径通过口腔取回[77, 78]。理论上，我们可以将软体机器人的长度缩小到2.5毫米，同时仍然能够使用与当前版本相同的激活力来执行所有功能和移动（见第S7B节）。这可以通过降低软体机器人柔性部件的硬度和切割工具的表面积来实现。我们计划在未来研究这种可能性（见第S7B节）。使用这种微型化的版本，长度为2.5毫米的软体机器人有可能接触到大约50%的人类中枢神经系统[4]，并且它将具有实现前所未有的微创手术的巨大潜力，例如针对大脑的手术。与现有的难以到达患者大脑内部的手术机器人相比[4]，我们的软体机器人可以通过以下程序非侵入性地访问这一器官：首先将执行器注入脊柱，然后通过中枢神经系统导航到达大脑的内部和外部部分，通过脑导水管[4]。在大脑完成治疗后，外科医生可以通过改变路径并通过患者的脊柱（L3-L4）取回软体机器人[4]。如果这些新程序能够实现，外科医生可以利用我们的执行器开发一系列前所未有的脑部手术。实现这些程序的一个关键挑战是开发一个能够有效整合磁驱动和医学成像技术的系统。解决这一挑战将是我们未来工作的重点。理论上，我们的软体机器人还有可能实现其他类型的激进微创手术，例如针对心脏、耳朵和子宫的手术，正如Nelson等人所讨论的[4]。
3 材料与方法
如图1a所示，我们提出的软体机器人可以分解为其远程加热组件、主体、可重新编程模块和触手。触手可以进一步细分为六自由度（DOF）增强模块、间隔器和触手的柔软部分（见图S1a）。软磁成分的组合，包括被动和主动组件，使我们的软体机器人具有多种磁响应。具体来说，六自由度增强模块和主体中的磁化组件是由聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物基质（Dow Corning）嵌入NdFeB微粒（平均尺寸：5微米）制成的，而触手的柔软部分则是通过将Ecoflex 00–10聚合物基质嵌入NdFeB微粒（平均尺寸：5微米）制成的。为了制造这种软体机器人，所有组件都是首先分别使用类似于Xu等人[21, 22]报道的技术进行模制的。一般来说，软体机器人内的所有磁成分都是通过将磁颗粒（填料）均匀分布在弹性体基质中来确保均匀性的。在这些成型过程中，组件在80°C的烤箱中固化。除了远程加热组件和触手的柔软部分分别需要12小时和1小时固化外，其余组件在0.5小时内固化。一旦磁成分固化，它们的弹性体基质会将磁颗粒（填料）固定到位[79]。固化后，含有NdFeB微粒的组件会被单独磁化至1.1 T（见图S1）。随后，我们软体机器人的所有组件都被手动组装并粘合在一起。在组装过程中，一个切割工具也被粘合到机器人上（见图S1b）。进行了额外的实验来评估我们可重新编程模块的批次一致性。制造了五个可重新编程模块的样本，并通过60 mT的均匀磁场进行磁化。它们的磁化强度（按体积计）通过定制的驱动测试进行了表征，这些测试在第S1A节中有说明。一般来说，这些测试通过观察产生的磁扭矩如何变形弹性梁来评估样本的磁化强度。为了产生足够的磁扭矩进行这些测试，样本的尺寸被同比例放大了两倍。理论上，当这些样本的尺寸更大时，磁化强度（按体积计）不会有所不同[4]。根据我们的实验结果，这些样本的磁化强度平均为5.18 kA/m，标准差为0.487 kA/m（见图S3bii–vi）。由于获得的标准差在10%以内，这表明我们确实可以一致地制造出可重新编程模块。我们没有对嵌入NdFeB和Fe3O4颗粒的磁性材料进行类似的实验，因为这些材料已经非常成熟并且可以可靠地制造[4, 15, 80]。本节的讨论相对简短，有关软体机器人材料属性和制造细节的更多信息可以在第S1A节中找到。
致谢
对于细胞毒性实验，由于我们使用的是匿名的人类真皮成纤维细胞（ATCC），并且这些是体外实验，南洋理工大学不需要批准此类实验。同样，南洋理工大学也不需要批准涉及鸡肝组织和合成尿液的实验。作者衷心感谢J.Y.和X.C.在细胞毒性实验中的帮助。作者还要感谢S.S.和H.L.F.在流变测量方面的帮助。此外，作者衷心感谢W.C.和Z.D.F.在超声实验中的协助，N.Q.和K.H.H.L.借出热像仪，G.J.L和W.S.L.在振动样品磁力计表征实验中的帮助，C.X.对初步研究的贡献，以及Z.Y.在手稿准备方面的协助。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
数据可用性声明
支持本研究发现的数据可以在合理请求下从相应作者处获得。
