磁性驱动自旋稳定微型游泳机器人

《Advanced Science》：A Magnetic-Driven Self-Rotation-Stabilized Miniature Swimming Robot

　　

摘要：微型游泳机器人（MSRs）在环境科学、工业和医疗等领域至关重要，尤其是在进入狭窄水下空间方面。然而，真实水域中的水流扰动和暗流会严重干扰微型游泳机器人的轨迹和稳定性，使其无法有效完成预期的运动和机动。为应对这一挑战，本文受羯布罗香（Dipterocarpus alatus）种子旋转机制的启发，提出了一种磁性驱动自旋稳定微型游泳机器人（MSMSR）。该机器人采用具有柔性关节和四个倾斜磁化足的多面体可展开结构（PDS）。柔性关节能够积累能量以实现快速游动，而多面体可展开结构则促进脉冲式推进。磁化足支持旋转运动，使机器人能够实现稳定的自旋游动。此外，基于机器人固有频率与磁场频率耦合的共振驱动策略可增强其游动性能。实验结果表明，最大游动速度达到43.7 mm/s，最大自旋角速度达到4.7 rad/s。当受到速度为150 mm/s的横向水流作用时，机器人在1.3 s内即可恢复稳定。此外，该机器人能够定向游入狭窄空间并准确测量目标水域的pH值，凸显了其在水环境监测及相关场景中的应用潜力。

论文解读文章

研究背景与问题：在自然界真实水体中，不规则扰动和暗流普遍存在，这远比静态水环境复杂，会严重干扰微型游泳机器人（MSRs）的运动轨迹和稳定性。现有大多数磁性驱动MSRs针对静态水环境设计，缺乏自旋能力，在水流冲击下容易失稳倾斜，导致功能失效。尽管仿生磁驱MSRs在游动模式多样性方面取得显著进展，但其抗干扰能力在真实水生环境中仍存在明显局限。因此，如何提升MSRs在复杂水流条件下的运动稳定性和定向游动能力，是推动其实际应用于水环境监测等领域亟待解决的关键问题。

研究内容与结论：本文受羯布罗香（Dipterocarpus alatus）种子自旋稳定机制和水母脉冲推进机制的启发，设计了一种磁性驱动自旋稳定微型游泳机器人（MSMSR）。该机器人主体为具有柔性关节和四个倾斜磁化足的多面体可展开结构（PDS）。实验测得最大游动速度为43.7 mm/s，最大自旋角速度为4.7 rad/s；在150 mm/s横向水流冲击下，机器人可在1.3 s内恢复稳定；定向游动角度范围为±87.4°，并能进入狭窄空间完成目标水域pH值检测。研究表明，自旋运动显著增强了机器人抵抗水流干扰的能力，为水下环境监测和污染检测提供了新的技术方案。该成果发表于《Advanced Science》。

主要技术方法：研究人员采用了微注射成型、脱模和微装配工艺制备机器人样机；利用三轴亥姆霍兹线圈构建电磁驱动系统，配合高速相机（1000帧/秒）进行运动记录与轨迹提取；通过电子万能试验机测量材料杨氏模量，结合理论建模计算柔性关节固有频率；实验样本包括MSMSR（磁化角ψ=30°）及对照组MSMSR-1（ψ=15°）、MSMSR-2（ψ=45°）和非自旋MSR。关键测试包括不同频率磁场下的游动性能、横向水流冲击稳定性（流速30–150 mm/s）及目标区域pH检测。

研究结果：
2.1 结构设计：通过仿生设计将羯布罗香种子倾斜叶片结构与类似竹蜻蜓的倾斜叶片结构融合，利用倾斜叶片引导水流产生旋转扭矩，同时引入水母钟形可展开结构实现脉冲推进，并填充柔性膜以增加推力。机器人主体为具有柔性关节和四个倾斜磁化足的中心对称PDS结构，磁化方向与中心对称轴呈ψ角（30°），样机长15 mm（膜直径），厚0.5 mm，重0.156 g。

2.2 运动原理与驱动策略：提出方形磁场驱动信号，单个自旋游动周期分为收缩、钟形姿态滑行、伸展、平面姿态滑行四个阶段。理论模型表明，第二和第四阶段会降低游动速度，因此缩短这两阶段时长是关键。当驱动频率与机器人固有频率耦合时可达最大速度；实际中由于水阻导致下行摆动快于回弹，峰值速度出现在1/(2Δt3)
2.3 游动性能：基于拉格朗日方程建立柔性关节动态响应模型，理论计算一阶固有频率为17.6 Hz；实验测得机器人在空气和水中的固有频率均为18 Hz。在10 mT、17.8 Hz驱动下，最大游动速度达43.7 mm/s；自旋角速度在14 Hz时达到峰值4.7 rad/s，而接近共振频率时自旋角速度趋近零，出现失步现象。磁化角在0°–45°范围内峰值角速度差异在10%以内，但磁化角增大时峰值频率降低（15°、30°、45°分别对应17、14、12 Hz）。

2.4 定向游动性能：对比MSMSR与非自旋MSR的垂直和倾斜游动，MSMSR中心位置平均误差?0.06 mm、标准差0.16 mm，显著优于非自旋MSR（平均值0.35 mm、标准差0.31 mm）。倾斜游动时，MSMSR的倾斜角与横向磁场呈良好线性关系（R2=0.98），而非自旋MSR的R2=0.9，且在小横向磁场下非自旋MSR出现明显波动，MSMSR则保持稳定；游动角度范围达?87.4°至87.4°。垂直磁场频率增加会缩短横向磁场暴露时间，导致游动角减小。

2.5 稳定性性能：基于Kim等模型建立自旋稳定性理论模型，求解扰动角方程发现自旋角速度ωT越大，最大扰动角幅值单调减小，恢复时间缩短。在14 Hz、150 mm/s横向水流冲击下，MSMSR最大扰动角约80°，并在1.3 s内恢复稳定；非自旋MSR在流速>120 mm/s时发生翻转且无法恢复。不同磁化角机器人（MSMSR-1、MSMSR-2）均表现出良好抗扰能力，稳定时间均低于2.5 s。在向上15°和向下15°倾斜水流冲击实验中，MSMSR的扰动角和恢复时间均小于非自旋MSR。

2.6 目标区域水质检测：在狭窄水空间中设置15×15 mm2入口（约等于机器人身长），MSMSR先定向游至入口，再施加横向磁场使其进入，关闭磁场后机器人停留在目标区域，通过携带的pH试纸颜色变化检测pH值。另外，将感温传感器（50°C变红）集成到机器人上，当机器人从20°C冷水区进入60°C局部热水区时传感器变红，验证了温度感知能力。

讨论与结论：本文成功设计了具有脉冲推进和自旋稳定复合运动能力的MSMSR，其最大游动速度、自旋角速度、定向游动能力和抗水流干扰性能均得到实验验证。研究为水下磁驱微型机器人的设计提供了新见解，倾斜磁化柔性结构设计原则可推广至其他柔性运动装置。当前样机已在实验室水槽中验证，但在真实自然水体中的应用测试仍有限。未来工作可集成移动电磁驱动系统与微型视觉模块，采用六自由度机械臂搭载亥姆霍兹线圈和相机实现闭环运动控制；同时可集成微型pH/温度传感器、低功耗信号调理电路和射频无线读取模块，或采用功能响应型水凝胶制备柔性本体，以实现实时水质参数监测。研究结论表明，该机器人具备在管道等受限水下环境中进行泄漏检测和水质监测的潜力。