基于加工切屑成形启发的多模态运动铁磁流体螺旋微型机器人制备与应用研究

针对传统磁性螺旋机器人(MHRs)制备工艺复杂、运动模式单一的问题，本研究受机械加工切屑成形启发，开发出低成本可定制的铁磁流体螺旋微型机器人(FHMRs)，通过纳米粒子定向排列策略实现五种运动模式，成功应用于血管模型血栓清除和褶皱组织靶向给药，为生物医学领域微型机器人设计提供了新思路。

　　

在生物医学领域，磁性螺旋机器人(MHRs)因其在靶向治疗、细胞捕获和环境修复中的潜力备受关注。然而传统制造方法存在制备复杂、成本高昂的瓶颈，且机器人运动模式单一，难以适应人体复杂环境。例如现有技术如三维激光直写和电子束沉积需要昂贵设备，而生物模板法则受限于非定制化特性。更关键的是，在胃部褶皱或高粘度体液中，单一运动模式的机器人常因环境适应性不足而失效。

为解决这些难题，中国的研究团队从机械加工中的切屑螺旋成形现象获得灵感，开发出铁磁流体螺旋微型机器人(FHMRs)。这项发表在《SCIENCE ADVANCES》的研究，通过多自由度参数化平台采用弯曲针尖在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基板上雕刻螺旋结构，结合铁磁流体纳米粒子定向排列策略，实现了跨尺度尺寸范围的机器人制备。团队还构建了OctoMag-like多向磁控系统，赋予机器人五种运动模式，在复杂生物环境中展现出卓越的适应能力。

关键技术包括：(1)基于Johnson-Cook材料模型的螺旋结构加工仿真；(2)Halbach磁化阵列实现纳米粒子定向排列；(3)压缩-热固定策略调节螺距；(4)八线圈磁控系统实现多模态运动控制；(5)聚乙烯醇(PVA)缓释涂层构建。实验采用猪肺、牛胃等真实组织及3D打印血管模型验证性能。

【Fabrication of the FHMRs inspired by machining swarf formation】
通过有限元模拟和实验验证，证实针尖倾角θ与螺旋直径、螺距λ的负相关关系。当θ从50°增至70°时，螺距从800μm缩减至100μm，直径从600μm降至100μm。采用0.6mm针尖可制备100-600μm直径的螺旋结构，经压缩-热固定处理后实现参数解耦调控。

【Programmable nanoparticle alignment method for FHMR】
通过100mT磁场使Fe₃O₄纳米粒子沿长轴或短轴定向排列，原子力显微镜显示未磁化样品表面随机突起(高度差<50nm)，而磁化后形成沿场强方向排列的链状结构(高度差>200nm)。磁滞回线证实饱和磁化强度达70emu/g，接触角实验显示磁流体与PMMA基底接触角仅10°，表明优异附着性。

【Multimodal locomotion capability of FHMRs】
LFHR旋转模式在5Hz磁场下速度达3mm/s，可攀越5mm台阶(超自身长度67%)；SFHR摆动模式能穿透石灰粉模拟血栓；SFHR上升模式在10Hz场强下完成20mm垂直爬升。通过组合模式，机器人在3D血管模型中实现全程导航，包括垂直管段上升(10Hz)、斜坡段滚动(5Hz)和弯曲段过渡。

【Adaptability of each locomotion mode to different tasks】
在离体猪肺实验中，LFHR通过4Hz旋转模式快速定位目标，切换至11Hz摆动模式实现药物释放。胃模型实验显示，4:1.5配比的PVA涂层使药物释放时间延长至25分钟，较未涂层组提升178%。动态控制策略将释放过程分为四个特征阶段，高频摆动使释放速率提升300%。

该研究通过仿生制造和智能材料设计，突破了微型机器人制备与控制的重大技术瓶颈。相比传统MHRs，FHMRs在成本(降低90%)、运动模式(5种vs1-3种)和尺度适应性(100μm-1.6mm)方面具有显著优势。特别设计的PVA缓释涂层和差分控制策略，为高腐蚀性环境下的靶向给药提供了创新解决方案。未来通过集成机器学习算法和医学影像导航，这类机器人有望在泌尿系统结石清除、冠状动脉再通等临床场景发挥重要作用。