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近期，上海交通大学刘清坤副教授与美国康奈尔大学团队合作，提出了一个全新的概念——微型变形超构机器人（Metabot）。他们基于超材料构筑了一款尺寸小于 1 毫米的“微型变形金刚”，不仅可用微电子控制、可重构任意形状，还能够让它进行可控的定向行走。“微型机器人尺寸非常小，通常其只能进行腿部的局部运动，而我们的微型变形机器人能够在大范围内任意改变身体的形状。”刘清坤表示。这款微型机器人采用了基于剪纸结构的设计，并结合了电化学驱动的微型执行器。它由多达上百个基本单元组成，包括约 100 个二氧化硅面板和 200 多个活动铰链组成，而铰链的厚度仅为 10 纳米。通过电化学驱动方法，这些铰链能够在短短 100 毫秒内带动微机器人实现局部扩展和收缩，最大可达 40% 的面积变化。并且，它还能够根据激活的铰链不同，改变形状并执行多种运动模式。视频丨微型变形机器人做可控定向运动（来源：Nature Materials）
微型机器人的设计灵感来源于自然界中能够大范围变形的生物，如细胞或变形虫。由于基元众多，虽然灵活性高，但这也使得其在可控性操作方面变得非常困难。如何平衡机器人的灵活性和刚性，是研究人员面临的挑战之一。基于此，他们通过精确电可寻址的驱动方式，尝试让这些基元能够精确地实现目标形状，并且一旦变形就能按照设计的模式稳定、有序地保持在某个形状，而不是随意变形。需要了解的是，这种微型机器人由力学超材料制备而成，它的独特之处表现在，当材料在某个方向被拉伸至膨胀时，与之垂直的方向也会随之膨胀。这种叫做“拉胀”的材料具有负的泊松比，这与自然界材料在被拉伸时垂直方向会收缩的特性截然不同。图丨基于剪纸结构设计的微型变形机器人（来源：Nature Materials）研究人员利用超材料的这种特性来开发可变形的微型机器人，因而将这种机器人命名为“超材料机器人”（Metasheet Robot），简称“Metabot”。“这不仅是新名称，也代表了一个设计微型机器人的新概念。”刘清坤说。这种基于超材料制备的微型机器人，展现出了更高的灵活性和鲁棒性。其结构由众多的基元组成，这与传统机器人的设计具有本质的区别。传统机器人通常只有一个主体和两条腿，一旦腿部受损就可能导致行走功能丧失，而微型变形机器人即便部分基元受损，也能够保持正常的运作能力。在结构设计上，研究人员尝试了多种形状后发现，六边形结构在变形范围和自由度上表现最佳。与四边形结构相比，六边形结构不仅形变范围更大，而且自由度适中，既不会过于僵硬，也不会因过于柔软而变得难以控制。“正是这种结构的独特性，使得这款微型变形机器人在变形和移动性能上具有显著优势。”刘清坤说。图丨微型超构机器人变形成多种三维形状（来源：Nature Materials）上海交通大学副教授刘清坤和康奈尔大学王伟博士是共同第一作者，康奈尔大学伊泰·科恩（Itai Cohen）教授担任通讯作者。图丨相关论文（来源：Nature Materials）这种微型机器人具有尺寸极小和强大的变形能力的优势，因而在生物医学、环境监测和微流控技术等领域具有广泛的应用前景。例如，在微型机器人表面的面板上安装带有医学标志物的传感器或微控制器，以能通过人体腔道等复杂、狭窄的环境。目前，该微型机器人还处于研究初期阶段，面板上的功能尚未完全开发。下一步，该课题组计划进一步提升其性能，并在面板上搭载更丰富的功能，如传感器、药物载体、微控制芯片等组件，以实现无线控制，并通过处理器间的通信实现分布式控制。与此同时，研究人员正在考虑将这种微型机器人集成到内窥镜末端，以便通过微创手术的方式将其送入体内进行检测和治疗。刘清坤指出，这种微型机器人不仅能够释放药物，还甚至可能因其强大的变形能力，进行精细的操作动作。“这需要我们研发更强大的驱动器，以确保机器人有足够的力量来抓取和移除病变组织，类似于柔性机器人或柔性机械手的功能。”此外，在微型机器人表面还可安装电极，利用电刺激的方式来治疗病变部位，这将进一步增强其在微创医疗领域的应用潜力。
参考资料：
1.Liu, Q., Wang, W., Sinhmar, H. et al. Electronically configurable microscopic metasheet robots. Nature Materials (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02007-7
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