磁驱软体微型游泳机器人的仿生设计与低雷诺数流体动力学优化

针对微型磁驱软体机器人(MSRSs)在生物医学应用中运动性能优化难题，研究人员通过实验与计算流体动力学(CFD)模型结合，系统比较了螺旋状(finger-shaped)与波动状(carangiform-like)游泳模式的运动效率。研究发现螺旋构型在体长/周期(blpc)速度上最优，而波动构型具备双向运动和高稳定性优势，为靶向给药等应用提供了设计范式。

　　

在生物医学工程前沿领域，如何让微型机器人像自然界的微生物一样在粘稠的体液中高效游动，一直是科学家们追逐的目标。这种被称为"低雷诺数(Re?1)"的特殊流体环境中，惯性力几乎消失，微生物依靠螺旋推进、波动运动或纤毛摆动等非互易运动实现前进。受此启发，磁驱软体机器人(MSRSs)因其远程操控、快速响应和生物相容性优势，成为靶向给药、内窥镜手术等应用的理想载体。然而，现有研究尚未系统解决三种基本仿生游泳模式在微观尺度的运动学优化问题，更缺乏对运动速度、稳定性和双向操控能力的综合评估。

格罗宁根大学的研究团队在《Extreme Mechanics Letters》发表的研究中，通过形状编程磁化和全耦合CFD模型的创新结合，首次建立了MSRSs的定量设计框架。研究采用NdFeB磁性颗粒与Ecoflex0010硅胶的复合材料，通过激光图案化和1T强磁场预磁化技术制备样本，利用Habrok高性能计算集群进行流体-结构相互作用(FSI)模拟，重点分析了磁数(M_n)与流体数(F_n)对标准化游泳速度(blpc)的影响。

材料与方法
通过1:1混合NdFeB磁粉与硅胶制备活性弹性体，采用65℃热固化与多层胶带封装工艺控制薄膜厚度。预磁化材料在旋转/振荡磁场下产生可控变形，通过高速摄像追踪运动轨迹。计算模型同步求解磁力、非线性弹性变形和粘性流体耦合问题。

MSRSs的制备
激光切割技术实现了螺旋"手指状"和波动"鲹状"两种典型构型，磁化方向编程使前者产生螺旋桨式运动，后者形成行波状体波。甜玉米糖浆溶液模拟生物粘液环境，验证了理论预测与实验观测的一致性。

结论
研究发现螺旋构型在相同周期内可达到3.2倍体长的最高速度，但其运动方向单一；波动构型虽速度稍慢(2.1 blpc)，但展现出独特的双向运动能力和初始角度不敏感性。流动场分析揭示螺旋运动产生对称涡旋，而波动模式形成定向射流，这种流体操控差异解释了稳定性差异。

该研究的意义在于建立了首个涵盖磁-弹-流多物理场耦合的MSRSs设计准则，为不同临床应用场景提供了明确选择依据——需要高速运动时选择螺旋构型，而复杂路径导航则优先波动构型。特别值得注意的是，研究者发现磁化长度与长径比的非线性关系会显著影响运动效率，这为后续微型游泳机器人的性能优化提供了关键参数。这些发现将推动下一代可编程软体机器人在血栓清除、精准给药等领域的应用突破。