一款小型、柔软、灵活的机器人能够在地震废墟中爬行寻找被困的幸存者，或在人体内部传递药物，可能看起来像科幻小说，但一个国际团队正在通过将柔性电子与磁控制运动结合，开创这种适应型机器人的先河。
一款小型、柔软、灵活的机器人能够在地震废墟中爬行寻找被困的幸存者，或在人体内部传递药物，可能看起来像科幻小说，但一个国际团队由宾州州立大学的研究人员领导，正在通过将柔性电子与磁控制运动结合，开创这种适应型机器人的先河。
软机器人与传统的刚性机器人不同，它们由灵活的材料制成，模仿生物体的运动。这种灵活性使它们能够在狭小的空间中完美导航，例如灾区的残骸或人体内复杂的通道。然而，将传感器和电子元件整合到这些灵活系统中，给研究人员带来了重大挑战，宾州州立大学工程科学与力学的詹姆斯·L·亨德森纪念副教授 Huanyu “Larry” Cheng 说道。
“最大的挑战是真正让它变聪明，” Cheng 说，他是该团队在《纳米微字母》上发表研究的共同通讯作者。“对于大多数应用，软机器人一直都是单向通信系统，这意味着它们依赖外部控制在复杂环境中导航。我们的目标是整合智能传感器，使这些机器人能够与周围环境互动，并以最小的人为干预进行操作。”
让这些机器人变得更聪明的一个主要因素在于柔性电子的整合，这使它们具备了关键特性。
“我们希望设计一个系统，使软机器人和柔性电子无缝协作，” Cheng 说。“传统电子元件是刚性的，这使得整合变得困难。我们的解决方案是以一种保留机器人灵活性，同时保持强大性能的方式，分布电子元件。”
Cheng 和他的团队拍摄了机器人动作的视频，捕捉到它们在简单路径上爬行和滚成球体的动态行为。这些机器人利用嵌入其柔性结构中的硬磁材料移动，从而使得它们能够对外部磁场作出可预测的反应。通过调整磁场的强度和方向，研究人员可以控制机器人的运动，例如弯曲、扭动或爬行，而无需机载电源或物理连接如电线。
发展这项技术的一大障碍是如何确保柔性电子不会妨碍机器人的运动。
“尽管我们设计了灵活的电子元件，但它的刚度仍然是软机器人材料的几百到几千倍，” Cheng 说。“为了解决这个问题，我们将电子元件分布在结构中，减少其对运动的影响。”
另一个挑战是阻止不必要的电干扰，这可能会干扰电子设备或系统的工作。这样的干扰来自外部来源，比如其他电子元件或无线信号。这种干扰会妨碍运动，并影响传感器性能。
“磁场对控制运动至关重要，但它们也可能扰乱电子信号，” Cheng 指出。“我们必须仔细设计电子布局，以尽量减少这些相互作用，确保传感器在强磁场存在时仍然能正常工作。”
在将磁干扰降至最低后，机器人可以通过电磁场或手持磁铁远程引导——这限制了它们所需的人为干预。此外，集成的传感器让它们能够自主对环境线索做出反应。例如，在搜索和救援中，它们足够聪明，能够通过检测热量或障碍物在废墟中导航。在医疗应用中，它们可能对 pH 值变化或压力作出反应，确保药物精准输送或准确采样。
Cheng 团队的下一步是为这些应用改进技术——包括打造“机器人药丸”。
“最有趣的潜在应用之一是在可植入的医疗设备中，” 共同作者、韩国大学融合科学与技术研究生院的副教授 Suk-Won Hwang 说。“我们正在努力微型化系统，以使其适合生物医学使用。想象一下一个可以像药丸一样吞下的小型机器人系统，能够在胃肠道中导航并检测疾病或在需要的位置精确输送药物。”
根据研究人员的说法，这项技术可以为传统的诊断程序（如活检）提供一种侵入性更小的替代方案，实时直接从患者身上收集数据。
“通过集成的传感器，这些机器人可以测量 pH 值、检测异常，甚至在人体内部的精确位置输送药物，” Cheng 解释说。“这意味着更少的 invasivere (侵入性)手术和更多的针对性治疗，提高患者的治疗效果。”
Cheng 还设想未来在血管治疗方面的应用。
“如果我们能让这些机器人更小，它们可以被注入血管中治疗心血管疾病或将药物直接输送到受影响区域，” Cheng说。“这将为非侵入性医疗治疗开辟全新的可能性。”
虽然团队尚未给这些机器人正式命名，但 Cheng 说他们乐于接受建议。
“这是个很好的建议，” 他笑着说。“也许我们应该让公众参与给它们命名。”
