磁轴无桨螺旋微型机器人：多模态运动与流体操控的创新突破

为解决磁性微型机器人多模态运动和流体操控能力平衡难题，研究人员研发 MSPM，其可实现多种运动及运输，具重要医疗应用潜力。

　　

微型机器人的探索之旅：突破困境，开拓新境

在生物医学的微观世界里，磁性微型机器人宛如一群充满潜力的 “小探险家”，近年来备受瞩目。它们能够在多种刺激（如 pH 值、温度、光、电场和磁场）的驱动下，在狭窄的环境中远程移动、改变形状并精准操作，在微操纵、运输、环境修复和生物医学等众多领域展现出独特的魅力。然而，就像勇敢的探险家也会遇到艰难险阻一样，这些微型机器人面临着一个棘手的挑战 —— 在不同环境中实现多模态运动和流体操控能力的平衡。想象一下，在地面环境、水环境以及复杂的生物医学环境中穿梭时，要同时兼顾灵活移动和精准操控流体，对于微小的它们来说，无疑是一项艰巨的任务。

为了攻克这一难题，研究人员踏上了探索之旅。虽然目前尚不清楚具体来自哪个研究机构，但他们的研究成果发表在了《Cyborg and Bionic Systems》上。他们致力于研发一种新型的磁性微型机器人，期望能打破现有的困境，为生物医学领域带来新的突破。

研究的关键技术 “工具箱”

在这场探索中，研究人员使用了一系列关键技术。2 - 光子聚合（2PP）与成型技术的结合是重要的一环，通过这种方法，他们能够制造出具有磁性和非磁性的弹性复合材料部件，构建出机器人的不同功能部分。定制的电磁线圈驱动系统发挥着关键作用，它由 3 对正交配置的亥姆霍兹线圈组成，可在 3D 空间中产生均匀磁场，通过 STM32 卡连接电脑进行控制，实现对机器人运动的精准调控。计算流体动力学（CFD）模拟则帮助研究人员深入了解机器人内部螺旋桨的推进机制，为优化设计提供依据。

研究成果大放异彩

1. 磁驱动无轴螺旋桨样微型机器人（MSPM）的诞生：研究人员受工程无轴水泵螺旋桨设计的启发，成功制造出 MSPM。它由铁磁可滚动螺旋桨和非磁性环形圆柱体组成，在组装前，磁性螺旋桨会沿 z 轴磁化。在旋转磁场的驱动下，MSPM 能够实现滚动、推进和翻滚等多模态运动，其运动主要依靠磁扭矩，计算公式为T=V×M×B（其中V代表机器人体积，M是磁化强度，B是磁通密度）。
2. 在非结构化环境中的自适应运动：MSPM 在非结构化环境中的表现令人惊叹。与那些需要特定调整运动姿势的机器人不同，它能轻松进行基于旋转的运动。面对不同地形，如起伏地形、楼梯状地形和斜坡时，它可以在滚动和翻滚模式之间自动切换，确保在不改变磁场的情况下维持运动方向。在 3D 打印的迷宫模型测试中，MSPM 成功沿着预定路径穿越复杂地形，这充分展示了其强大的自适应运动能力，大大降低了控制的复杂性。
3. 磁驱动与预定路径跟踪运动：定制的 3D 亥姆霍兹电磁线圈驱动系统能够产生多种磁场。通过一系列公式计算，研究人员可以精确控制磁场，实现对机器人扭矩的调控，进而让机器人沿着预定路径运动。实验中，机器人成功沿着正方形、三角形、十字线以及 “BIT” 字样等复杂路径移动，展现出了灵活且稳定的运动性能，为未来的精准操作和靶向递送奠定了基础。
4. CFD 模拟揭示推进机制：CFD 模拟结果显示，与环形机器人相比，MSPM 内部螺旋桨能使流体流线环绕并穿过机体旋转轴，产生集中向后的推进流，同时在机体内旋转轴方向的压力显著降低，这不仅减小了游泳阻力，还提高了推进速度。模拟结果表明，螺旋桨能产生更高速度的流体流，为机器人提供更强的推进力。
5. 水下自旋游泳与流体运输：MSPM 凭借无轴螺旋桨结构，能够在水下通过自旋运动实现游泳。在旋转磁场的作用下，它可以推动水向后，产生向右的推进力。实验中，MSPM 在不同磁场频率下进行游泳测试，其游泳速度随磁场旋转频率的增加而提高，最高速度可达 34.9mm/s。MSPM 还具备在受限环境中运输流体和颗粒的能力。在 3D 打印的人工管中，它通过自旋和螺旋桨的泵送机制，成功运输了含有云母粉的流体，且运输流体的流速与旋转频率呈非线性关系。

研究结论与意义：开启生物医学新征程

研究人员成功研发出 MSPM，它不仅实现了多模态运动，还具备高效的流体操控能力。这种机器人在不同环境中的出色表现，为生物医学领域带来了新的希望。在复杂的生物医学环境中，如血管系统和胃肠道的治疗，MSPM 有着巨大的应用潜力。它可以被视为可植入血管支架，通过调节血流和流速，维持细胞或器官的营养供应和正常功能。同时，它也有望成为诊断和治疗的潜在设备，以更好的功能和更小的患者损伤为生物医学发展注入新的活力。未来，随着技术的不断进步，MSPM 或许将在生物医学领域发挥更大的作用，开启微观治疗的新篇章。