这篇论文的研究内容由普渡大学的Liyuan Tan教授及其合作者David J. Cappelleri教授进行，研究成果发表在《IEEE Robotics and Automation Letters》期刊上。
微型机器人（microrobots）在生物医学领域展现出巨大的应用潜力，如活检、药物输送和细胞操作等。传统的游泳微型机器人通常采用类似于细菌和精子的鞭毛进行运动，但由于其尺寸和速度极小，游动时面临低雷诺数的挑战。在这种情况下，粘性力主导了惯性力，因此微型机器人的设计需要考虑如何在流体环境中有效地推进。近年来，智能材料的出现为微型机器人的设计提供了新的可能性。智能材料能够在制造后改变形状，从而引入额外的自由度，进而实现更复杂的行为，如主动微操控、主动药物输送和自适应运动等。水凝胶作为一种优良的智能材料，因其优越的生物相容性而被广泛应用于生物医学领域。
本研究的主要目标是设计和制造一种新型的螺旋自适应多材料微型机器人（HAMMR），该机器人利用响应性水凝胶作为智能材料，结合强磁性头部和可变形的尾部，实现自适应运动能力。研究者们希望通过这种新型微型机器人，提升其在不同环境中的游泳性能。研究团队首先对HAMMR的设计进行了详细的建模。微型机器人的动态特性通过力和力矩平衡进行表征，建立了相应的数学模型。通过对不同几何参数的分析，研究者们能够预测微型机器人在不同环境中的运动表现。
HAMMR的制造过程分为三个阶段：光刻、两光子聚合（TPP）和释放。首先，研究者们在载玻片上通过光刻技术制备了直径为60微米的磁性圆盘，并在其上涂覆了一层薄薄的SU-8粘合剂。接着，利用Nanoscribe的TPP设备Photonic Profession GT2打印出连接器和螺旋尾部。最后，通过化学反应将水凝胶尾部与磁性头部连接起来。
研究者们对不同设计参数的微型机器人进行了实验测试，评估其在不同溶剂中的游泳性能。实验结果表明，HAMMR在旋转磁场下表现出显著的变形和游泳性能，验证了理论计算的准确性。研究中，团队面临了多个挑战。首先，传统的制造方法通常只能实现刚性材料的微型机器人，限制了其运动性能和适应能力。其次，水凝胶的响应性和变形能力在不同环境中表现不一，如何优化设计以实现最佳性能是一个重要问题。此外，微型机器人的磁性头部和尾部的连接强度也对其整体性能产生了影响。
本研究的成果为微型机器人技术的发展提供了新的思路。未来，研究者们计划探索更多种类的智能材料，以实现更复杂的自适应行为。此外，HAMMR的设计方法可以扩展到其他生物医学应用中，例如在体内药物输送和细胞操作等领域。总之，Liyuan Tan教授及其团队的研究为微型机器人领域的创新提供了重要的基础，展示了智能材料在微型机器人设计中的巨大潜力。随着技术的不断进步，未来的微型机器人将能够在更广泛的应用场景中发挥作用，推动生物医学和其他领域的发展。
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https://doi.org/10.1109/LRA.2023.3242164