中國科學家提出磁軟體機器人制造法，有望用于活體取樣和介入治療
2025-01-12
可在磁彈性體上實現(xiàn)可重復磁化
最初，趙冉只是想尋找一種可在磁彈性體上實現(xiàn)可重復磁化的技術。
當時主要有兩類可行的方案：其一，通過控制磁性顆粒充磁/退磁實現(xiàn)可重復磁化；其二，利用高分子材料的玻璃化轉變特性，實現(xiàn)磁性顆粒的翻轉和重新排列。
但這些方法所需的控制溫度都非常高，超過生物組織可承受的范圍。這時，趙冉在做拉伸傳感器研究時，讀到一些液態(tài)金屬電極的研究文獻。
很快他就意識到，液態(tài)金屬是一種可幫助他實現(xiàn)可重復磁編程的完美材料：以鎵基合金體系為例，它擁有豐富的熔點范圍，大約在 0-30 攝氏度，且可通過調整元素配比實現(xiàn)，這意味著只需要極小的能量，就能實現(xiàn)相變。
通過早期實驗和一些文獻資料，他還發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬磁性復合材料的一些有趣物理現(xiàn)象。比如，這類材料具備高流變性和磁極可重構性，而這正是實現(xiàn)“磁記憶”的基礎。于是最初的設計產生了：借助模具，趙冉把液態(tài)金屬/釹鐵硼復合材料制作成薄板，在低溫下將其封裝在硅膠中。
然后他發(fā)現(xiàn)，這些機器人原型機實際上可以實現(xiàn)”冷編程”，也就是無需加熱即可編程。此外，還有一個更有趣的現(xiàn)象：通過溫度調節(jié)可讓機器人在軟體和剛體形態(tài)下轉換。這些初步的結果，促使他繼續(xù)深入研究，因為這些特性將會使磁軟體機器人更具靈活性，同時還會帶來更豐富的功能。
在此基礎上，趙冉希望將這項技術更加泛化，使它不僅僅停留在幾種簡單范例結構的層面。具體來說，將液態(tài)金屬/釹鐵硼復合材料封裝在微小的區(qū)域中，并將這種微小單元命名為 “磁像素”。每個磁像素可以作為獨立的工作區(qū)域，也可和其它像素一起構成更大的磁化輪廓。
另外，為保留“硬化”功能，他還在像素之間增加了微溝道，使它仍然可以在低溫下固定形狀。他還分析和比較了目前已報道的磁性編程技術，具體情況見下表。對比可知，該技術可讓 3D 進行可重復磁化，而且需要的加熱溫度更低。
審稿人認為，趙冉等人提出了一種可被磁場和溫度激活的軟體機器人，它可實現(xiàn)磁化和剛度的雙重調節(jié)。這一想法非常超前。
在未來，液態(tài)金屬磁軟體機器人有望應用于藥物輸運、活體取樣、介入治療等領域。
總結來說，趙冉設計出一種具有熱/磁響應函數(shù)、可重復磁化的磁性像素薄膜，并開發(fā)出一種三維磁向量編程設備，它可以將任意方向的磁各向異性配置為獨立的磁像素。此外，他還提出一種磁編碼技術，并提出了相應的數(shù)學模型，為機器人自動行為設計提供了基礎。
于他而言，微型軟體機器人的研究才剛剛開始。微型軟體機器人能否像傳統(tǒng)機器人那樣具有智能性？例如可感知，可通訊、可編程？這是他給自己提出的問題。在他看來，類似《超驗駭客》中那種無所無所不能的納米機器人應該不會在可預見的較短時間內出現(xiàn)，但它至少會成為很多研究者的愿景。到那個時候，人類對于微觀世界的改造能力將會登上一個新的臺階。
未來，趙冉將進一步縮小機器人的尺寸，并嘗試設計一種 3D 結構。他相信，通用技術的發(fā)展將有助于使微磁軟機器人盡快從實驗室走向商業(yè)應用。