微型機(jī)器人群體的驅(qū)動(dòng)依賴于外部刺激，如光、聲場和磁場。相較于傳統(tǒng)機(jī)電機(jī)器人，微型機(jī)器人的無線通信和自主合作更為復(fù)雜。同時(shí)，由于質(zhì)量較輕，微型機(jī)器人具有較低的慣性力和動(dòng)能，這在克服環(huán)境粘性力或界面能量時(shí)構(gòu)成限制。盡管增加微型機(jī)器人的數(shù)量可在一定程度上改善這一局限，但單個(gè)機(jī)器人的低動(dòng)能仍限制了其功能性的擴(kuò)展。

為此，來自韓國漢陽大學(xué)、仁荷大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種具有磁各向異性特性的立方體微型機(jī)器人，其多功能群體智能系統(tǒng)可用于執(zhí)行多種任務(wù)。這些微型機(jī)器人具備自我攀爬、跨越障礙、自我投擲、舉起障礙物、貨物運(yùn)輸、接線與斷開、液態(tài)金屬形狀修改、管道疏通以及生物體引導(dǎo)等多重能力。可實(shí)現(xiàn)群體智能功能。相關(guān)研究成果以“Magnetic swarm intelligence of mass-produced, programmable microrobot assemblies for versatiletask execution"為題發(fā)表在期刊《Device》上。

該團(tuán)隊(duì)通過精心設(shè)計(jì)的磁化輪廓編碼策略，成功實(shí)現(xiàn)了立方體微型機(jī)器人的磁各向異性，進(jìn)而賦予了它們定向的磁性相互作用能力。此編程磁化輪廓的核心目的，在于降低磁偶極勢能，進(jìn)而使得這些微型機(jī)器人能夠自發(fā)地、有序地磁性地組裝成一維（1D）的確定性結(jié)構(gòu)。

首先，該團(tuán)隊(duì)采用了原位復(fù)模和磁化技術(shù)（如圖1A所示），設(shè)計(jì)了一個(gè)具有三維（3D）形狀的立方體微陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由數(shù)百個(gè)尺寸為300×300×600 μm³的立方體結(jié)構(gòu)組成。利用這一單個(gè)模具，能夠連續(xù)復(fù)制出磁各向異性的微型機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和成本效益的大批量生產(chǎn)，且原位復(fù)模和磁化過程可以確保微型機(jī)器人在幾何形狀和磁化輪廓上的均勻性。團(tuán)隊(duì)選用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch^® S130，精度：2 μm）打印了該立方體微陣列模型原始模具，后經(jīng)PDMS翻模技術(shù)成功制備該模型。

圖1. 用于多功能群體智能的磁各向異性微型機(jī)器人的大規(guī)模生產(chǎn)。(A) 大規(guī)模生產(chǎn)數(shù)百個(gè)微型機(jī)器人的示意圖。(B) 復(fù)制在犧牲層上的微型機(jī)器人。顯微照片的偽彩色將犧牲層與微型機(jī)器人區(qū)分開來。(C) 微型機(jī)器人在外部磁場作用下的磁化曲線，磁化方向分別為0°、45°和90°。(D) 磁各向異性微型機(jī)器人的示意圖，其中磁化方向?yàn)?°、45°或90°，相對(duì)于微型機(jī)器人的縱向方向。"M"表示磁化。(E) 四個(gè)微型機(jī)器人的磁組裝，由于編程的磁化輪廓，形成HT、SC和FF配置。(F) 具有不同確定性組裝特征的微型機(jī)器人群體執(zhí)行多種任務(wù)。

微型機(jī)器人組裝體的組裝剛度受接觸面積與體積比（CA/V）及組裝體厚度的影響（圖2A和2B）。實(shí)驗(yàn)表明，50個(gè)微型機(jī)器人的HT、SC和FF組裝體的CA/V分別為3.1、4.6和6.2 mm^-1，與理論計(jì)算相吻合。組裝剛度亦與組裝體厚度相關(guān)，因結(jié)構(gòu)剛度隨厚度增加而增強(qiáng)。FF組裝體因高CA/V展現(xiàn)出較大厚度，獲得較高剛度。HT組裝體則因低CA/V，可獲得更長組裝長度，實(shí)現(xiàn)高長寬比。

微型機(jī)器人組裝體在執(zhí)行群體行為時(shí)，展現(xiàn)出自主合作能力，如攀爬、行走、拋擲單個(gè)機(jī)器人越障和舉起障礙物。這些合作行為由編程磁化輪廓引導(dǎo)，無需額外磁場控制。為優(yōu)化樞軸運(yùn)動(dòng)高度，機(jī)器人群體在磁場y軸分量處驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高度攀爬。HT組裝體因高長寬比，在攀爬時(shí)效率優(yōu)于SC和FF群體。例如，八個(gè)微型機(jī)器人的HT組裝體在5 Hz時(shí)能攀爬五倍于身高的障礙物，而SC和FF組裝體則需更多機(jī)器人。攀爬后，HT組裝體以最高速度行走，顯示了磁化編程對(duì)任務(wù)執(zhí)行的關(guān)鍵作用。非磁化微型機(jī)器人因磁化低且隨機(jī)，無法有效攀爬和行走。

圖2. 微型機(jī)器人組裝體的組裝剛度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(A) 不同組裝配置的微型機(jī)器人組裝體。(i) 在無外部磁場的情況下手動(dòng)組裝的微型機(jī)器人的數(shù)字圖像。HT、SC和FF組裝體的組成機(jī)器人數(shù)量分別為8、13和18。(ii) 微型機(jī)器人組裝體的示意圖。"a"代表機(jī)器人的短軸長度，"n"代表組裝的機(jī)器人數(shù)量。(B) 依賴于組裝配置的微型機(jī)器人組裝體的CA/Vs。(i) 50個(gè)微型機(jī)器人之間的實(shí)驗(yàn)CA/Vs。(ii) HT、SC和FF組裝體的理論CA/Vs。(C) 微型機(jī)器人組裝體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，包括旋轉(zhuǎn)和樞軸運(yùn)動(dòng)。(D) HT、SC和FF組裝體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) (i)。HT、SC和FF組裝體的樞軸運(yùn)動(dòng)和隨后的旋轉(zhuǎn) (ii)。彩色線條代表旋轉(zhuǎn)的微型機(jī)器人組裝體的軌跡。機(jī)器人的數(shù)量分別為2.5 Hz時(shí)的14個(gè)和15 Hz時(shí)的7個(gè)。(E) 非磁化微型機(jī)器人的失控磁組裝導(dǎo)致不規(guī)則旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

微型機(jī)器人組裝體具備自主解體能力，可完成投擲過高為7 mm、寬為25 mm的障礙物（圖3A）。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)頻率提升至15 Hz后，組裝體產(chǎn)生的剪切力足以使末端微型機(jī)器人解體，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)量投擲。HT群體適用于此任務(wù)，因其高長寬比組裝體增強(qiáng)了離心力，低組裝剛度便于解體。例如，七機(jī)器人HT組裝體解體時(shí)，投擲速度達(dá)1080 BL s^-1，最大投擲高度20.6個(gè)身體長度，僅需110 ms克服障礙。

微型機(jī)器人群體還能通過組裝體的集體機(jī)械扭矩舉起障礙物（圖3C）。HT群體因低組裝剛度，可解體并鉆入障礙物下方，通過樞軸運(yùn)動(dòng)提升障礙物。250個(gè)微型機(jī)器人的HT群體在2.5 Hz下能舉起重量達(dá)1600倍單個(gè)機(jī)器人的障礙物1.9 mm，優(yōu)于SC和FF群體。FF群體因高組裝剛度，無法解體鉆入，限制提升能力。HT群體還能通過集體機(jī)械扭矩滾動(dòng)或推動(dòng)球形貨物和立方體障礙物。

圖3. 樞軸式微型機(jī)器人群體和高縱橫比機(jī)器人組裝體的群體智能。(A) HT群體在15 Hz時(shí)自主投擲過障礙物，通過疊加投擲微型機(jī)器人的圖像得到證實(shí)。(B) 在15 Hz時(shí)，微型機(jī)器人的投擲速度和z軸位置。(C) 由250個(gè)微型機(jī)器人的HT群體在2.5 Hz時(shí)抬起障礙物。(D) 在2.5 Hz時(shí)，由HT、SC和FF群體各250個(gè)微型機(jī)器人抬起的障礙物高度。

在10 Hz頻率下，200個(gè)微型機(jī)器人的SC群體中，每個(gè)機(jī)器人平均有4.1個(gè)鄰近機(jī)器人（圖4C），而HT和FF群體分別為2.5和3.0。SC群體界面面積大，填充更密集。圖像分析顯示，HT群體由平均19個(gè)組裝體組成，面積為10 mm²；SC群體單一組裝體，面積為36 mm²；FF群體由平均5個(gè)組裝體組成，面積為20 mm²。此外，通過分形維度和填充方向分析，對(duì)群體填充密度進(jìn)行了定量比較。

圖4. 旋轉(zhuǎn)微型機(jī)器人群體和高封裝密度機(jī)器人組裝體的群體智能。(A) 200個(gè)微型機(jī)器人在10 Hz時(shí)的旋轉(zhuǎn)群體。HT、SC和FF群體的頂視圖。(B) HT、SC和FF群體的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。(C) HT、SC和FF群體中相鄰機(jī)器人數(shù)量的分布。(D和E) 在10 Hz時(shí)，HT、SC和FF群體中微型機(jī)器人組裝體的(D) Nasm和(E) Aasm的圖像分析。虛線代表Nasm和Aasm的平均值。(F) SC群體由磁力連接誘導(dǎo)的2D筏結(jié)構(gòu)。SC群體的組成機(jī)器人數(shù)量為1,000。(G) 通過SC群體在1.5 Hz時(shí)進(jìn)行的水面以上藥物輸送的時(shí)間推移圖像。(H) 通過250個(gè)微型機(jī)器人的SC群體在10 Hz時(shí)進(jìn)行的陸地貨物運(yùn)輸。(I) (H)中所示貨物的運(yùn)輸距離。

微型機(jī)器人群體通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)展現(xiàn)了多功能性，并能進(jìn)行高效的軌道拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)（圖5A和5B）。在軌道拖動(dòng)中，組裝體根據(jù)磁場分量抬起。HT和FF組裝體在高速度下保持結(jié)構(gòu)，F(xiàn)F組裝體因高剛度達(dá)到最高Nmax。SC組裝體Nmax，因多方向吸引力限制組裝。非磁化機(jī)器人無法執(zhí)行軌道拖動(dòng)，凸顯磁化編程的重要性。軌道拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)簡化了障礙物繞行操縱，僅需單軸操作。FF群體在遇到障礙時(shí)，通過y軸操縱快速繞過。繞行后，降低Bmax梯度可恢復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。FF群體的高Nmax和驅(qū)動(dòng)速度使其能產(chǎn)生巨大沖擊力，適用于改變液態(tài)金屬（LM）形狀（圖5F和5G）。面對(duì)LM的高表面張力和粘性，F(xiàn)F群體展現(xiàn)容錯(cuò)性，保持組裝狀態(tài)，成功分離和運(yùn)輸EGaIn，實(shí)現(xiàn)形狀變形。

圖5. 高剛度微型機(jī)器人組裝體的軌道拖動(dòng)群體及群體智能。（A）改變磁場Bmax以切換微型機(jī)器人群體的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于軌道拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用了高Bmax梯度，為7 T m^-1，而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的Bmax梯度為0.15 T m^-1。（B）在7 T m^-1下的軌道拖動(dòng)，由200個(gè)微型機(jī)器人的FF群體在5 Hz時(shí)表示。（C）2 Hz時(shí)軌道拖動(dòng)HT、SC和FF組裝體的側(cè)視圖。（D）微型機(jī)器人群體在軌道拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間的Nmax。（E）FF群體通過2.5 Hz的軌道拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)繞過障礙物。（F和G）通過200個(gè)微型機(jī)器人的FF群體在5 Hz時(shí)對(duì)液態(tài)金屬（LM）進(jìn)行形狀修改，如（F）分離和（G）運(yùn)輸、合并及變形。

具有容錯(cuò)性和敏捷性的FF群體成功完成了類似血管栓塞的管道疏通任務(wù)（圖6）。為了模擬血栓環(huán)境，該團(tuán)隊(duì)使用剪切模量約為2.96 kPa的豆腐來堵塞管道，并用水填充管道。由于血栓的剪切模量通常為0.7 kPa，我們選擇了機(jī)械性能略高于血栓的豆腐。在堵塞的管道中，F(xiàn)F群體展示了一種軌道拖動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，以與外部磁場方向保持一致。這種雙重運(yùn)動(dòng)是因?yàn)镕F群體無法沿著永磁體的旋轉(zhuǎn)軌跡被豆腐這樣的物理障礙拖動(dòng)。在15赫茲的雙重運(yùn)動(dòng)中，由200個(gè)微型機(jī)器人組成的FF群體產(chǎn)生了高沖擊力。由于持續(xù)的高沖擊力，豆腐被擊碎，管道在40秒內(nèi)被疏通。疏通后，通過操縱FF群體的方向，將殘留的豆腐運(yùn)輸并移除，減少了再次栓塞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6. FF群體清除血管閉塞類似管道的堵塞。時(shí)間推移圖像顯示（A）FF群體250個(gè)微型機(jī)器人清除管道堵塞和（B）移除管道內(nèi)的雜質(zhì)。由于堵塞管道狹窄，F(xiàn)F群體展現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)和軌道拖拽的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

該研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了一套基于微型機(jī)器人群體旋轉(zhuǎn)與軌道拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)的生物引導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過調(diào)控運(yùn)動(dòng)模式間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)施加于生物體之力度的精確控制。在2.5 Hz的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，高填充密度的SC群體有效地引導(dǎo)了螞蟻與團(tuán)子蟲。SC群體借助較低的沖擊力，通過腿部動(dòng)作阻礙螞蟻，背部輕觸阻礙團(tuán)子蟲，實(shí)現(xiàn)了無損運(yùn)輸至目標(biāo)位置。然而，F(xiàn)F群體的軌道拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)因其高沖擊力，不適宜引導(dǎo)小型生物，以免造成控制困難或損傷。螞蟻與團(tuán)子蟲的質(zhì)量分別為3 mg與30 mg，長度分別為3 mm與5mm。

進(jìn)一步的挑戰(zhàn)在于，是否能夠利用高剛度的FF群體實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)蠕蟲的按需喂食。超級(jí)蠕蟲憑借觸角上的化學(xué)感受器尋食，而FF群體在2.5 Hz的軌道拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，以其高沖擊力有效阻隔超級(jí)蠕蟲接近食物。即便超級(jí)蠕蟲試圖繞行，F(xiàn)F群體仍能持續(xù)阻擋其路徑。停止軌道拖動(dòng)后，超級(jí)蠕蟲得以接近食物。由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切力不足以阻擋體重500 mg、體長35 mm的超級(jí)蠕蟲，故不適用于喂食系統(tǒng)。微型機(jī)器人群體系統(tǒng)為生物體引導(dǎo)、運(yùn)動(dòng)控制及生長調(diào)節(jié)提供了新的策略。

圖7. 按需生物引導(dǎo)系統(tǒng)。(A) 根據(jù)生物體質(zhì)量選擇群體運(yùn)動(dòng)方式。(B和C) 200個(gè)微型機(jī)器人組成的SC群體以2.5赫茲旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)（B）螞蟻和（C）團(tuán)子蟲的時(shí)間推移圖像。(D) 200個(gè)微型機(jī)器人組成的FF群體以2.5 Hz軌道拖拽運(yùn)動(dòng)按需引導(dǎo)超級(jí)蟲進(jìn)食系統(tǒng)的時(shí)間推移圖像。

總結(jié)：該研究研發(fā)了一種具有磁各向異性特性的立方體微型機(jī)器人智能磁群。通過高長寬比組裝體內(nèi)的程序化磁相互作用，促進(jìn)了自我組織與自主合作行為，且無需外部磁場實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)了群體控制的自主性。展望未來，量產(chǎn)微型機(jī)器人群體在機(jī)器人工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，包括復(fù)雜障礙環(huán)境中的操作、高表面張力液體的形狀控制、生物引導(dǎo)，以及為動(dòng)脈硬化和平滑肌血栓提供生物醫(yī)學(xué)解決方案。