杂志俱乐部:磁性软材料和机器人:设计(代码)、应用和未来方向

磁性软材料与机器人:设计(代码)、应用和未来方向

这篇文章是从一个新闻及观点Zhao和Kim最近发表在Nature杂志上[1]。

在科幻电影中，机器人通常被描绘成由刚性材料制成的人类大小或更大的机器。然而，由柔软材料或柔性结构制成的机器人，可以比人体小得多，在过去的几年里引起了极大的兴趣，因为它们有可能比刚性机器更安全地与人类互动。事实上，足够小的软体机器人甚至可以用于人体的生物医学应用。为这些机器人提供动力有多种选择，但磁场提供了一种安全有效的无线操作方式，可以在体内有限的空间内进行操作。

设计和建模(代码)。一种被称为磁石的矿物能够与地球磁场对齐，这种能力最早是在中国古代手稿中被报道的簋子和韩非子，后来被用于早期的磁罗盘[2]。在过去的几年里，类似的原理已经被用于磁性软机器人[3-10]，其中不同尺寸的磁铁(纳米到毫米)被集成到柔性结构或软材料中。磁铁在外部施加的磁场中定向的趋势提供了一种快速移动或远程改变这些无系绳机器人形状的方法。这种驱动机构使机器人的设计具有很大的灵活性”结构，磁化模式和强度，以及何时何地应用磁场来控制机器人。

此外，由于外部磁场对磁体施加的力和力矩可以精确计算，因此开发了模型来定量描述特定机器人设计的驱动。例如，Zhao等人开发了具有复杂铁磁畴模式的软材料和机器人的本构定律，命名为理想的硬磁软材料。根据本构律，外磁场所施加的力和力矩的影响可以用有效的磁柯西应力(8、11)。Zhao等人进一步将本构律实现到ABAQUS UEL子程序中(参见附件中有关该理论的论文、UEL子程序和示例输入文件)。

应用和制造。磁性软机器人已被开发用于各种用途，特别是在生物医学应用中，它们与人体密切相互作用。例如，自我折叠”折纸”据报道，机器人可以在肠道中爬行，修补伤口并移除吞咽的物体[4];此外，人们还制造出了胶囊状的机器人，它们可以沿着胃的内表面滚动，进行活组织检查和递送药物[3]。磁导向机器人导管也被开发出来，它可以对心脏进行微创手术或检查肺气道[5,7]。更细的线状机器人已经被制造出来，有可能引导大脑血管来治疗中风或动脉瘤[10]。这些机器人的直径从几百微米到几厘米不等。

现有的构建小型磁性软机器人的方法包括磁性组件的直接组装[3-5,7]，颗粒加载聚合物片的磁化[6]，包含排列磁性颗粒的软复合材料的打印[9,10]，以及最近的电子束光刻技术，以制造磁性可重构机器人[12]。

未来的发展方向。要实现磁性软机器人在各种长度尺度上的生物医学应用的全部潜力，还有很多工作要做。它们必须使用定量模型来设计，以便在相对较弱的磁场中优化其特定任务的性能- - - - - -也就是说，要计算出需要进行哪些重新配置，机器人必须对其环境施加的力的大小，以及重新配置应该发生的速度和应该施加的力。先进的制造平台将是实现未来设计的关键。还需要机器人在人体深处的实时成像和定位方法，特别是在狭窄的空间中，并且不能干扰磁致动机构。人工智能可能会进一步发展，以辅助图像分析和机器人控制。最后，需要在机器人完成任务后安全回收或退化的方法。特别需要的是无毒性或其他不利影响的降解。

磁性软机器人也被广泛研究用于生物医学以外的应用[8]，如柔性电子、可重构表面和活性超材料(由亚单元组成的工程材料，其局部吸收能量，然后将其转化为可以产生大规模动态运动的运动)。因此，一套用于设计、制造、成像和控制不同长度的磁性软机器人的平行平台正在开发中。

参考

1.赵，X;金，Y。自然575,58 -59 (2019)

2.du tramemolet de Lacheisserie。在磁性:基本面[英][qh]Gignoux, D. & Schlenker, M.) 3-6 (Springer, 2005)。

3.Yim, S. & Sitti, M.;IEEE反式。机器人。28， 183-194(2012)。

4.Miyashita, S。等。2016 IEEE国际期刊。相依的机器人。自动售货机。909-916 (ieee, 2016)。

5.埃德尔曼，J.，彼得鲁斯卡，A. J.和尼尔森，B. J.。J. Med.机器人。Res。3.， 1850002(2018)。

6.胡伟，Lum, g.z.， Mastrangeli, M. & Sitti, M.。自然554， 81-85(2018)。

7.全,S。et al。柔软的机器人。6， 54-68(2019)。

8.Kim, Y.， Yuk, H.， Zhao, R.， Chester, S. A. & Zhao, X.。自然558中文信息学报，274-279(2018)。

9.徐涛，张杰，Salehizadeh, M, Onaizah, O. & Diller, E。科学。机器人。4， eaav4494(2019)。

10.Kim, Y.， Parada, G. A.， Liu, S.和Zhao, X.。科学。机器人。4， eaax7329(2019)。

11.赵，R.，金，Y.， Chester, S. A.， Sharma, P.和赵，X.。j .机械工程。理论物理。固体124， 244-263(2019)。

12.崔,J。et al。自然575， 164-168(2019)。