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

為此，來自韓國漢陽大學、仁荷大學的研究團隊成功研發(fā)了一種具有磁各向異性特性的立方體微型機器人，其多功能群體智能系統(tǒng)可用于執(zhí)行多種任務。這些微型機器人具備自我攀爬、跨越障礙、自我投擲、舉起障礙物、貨物運輸、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等多重能力。可實現(xiàn)群體智能功能。相關研究成果以“Magnetic swarm intelligence of mass-produced, programmable microrobot assemblies for versatiletask execution"為題發(fā)表在期刊《Device》上。

該團隊通過精心設計的磁化輪廓編碼策略，成功實現(xiàn)了立方體微型機器人的磁各向異性，進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，進而使得這些微型機器人能夠自發(fā)地、有序地磁性地組裝成一維（1D）的確定性結構。

首先，該團隊采用了原位復模和磁化技術（如圖1A所示），設計了一個具有三維（3D）形狀的立方體微陣列結構，該結構由數(shù)百個尺寸為300×300×600 μm³的立方體結構組成。利用這一單個模具，能夠連續(xù)復制出磁各向異性的微型機器人，實現(xiàn)了時間和成本效益的大批量生產(chǎn)，且原位復模和磁化過程可以確保微型機器人在幾何形狀和磁化輪廓上的均勻性。團隊選用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（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器人的大規(guī)模生產(chǎn)。(A) 大規(guī)模生產(chǎn)數(shù)百個微型機器人的示意圖。(B) 復制在犧牲層上的微型機器人。顯微照片的偽彩色將犧牲層與微型機器人區(qū)分開來。(C) 微型機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) 磁各向異性微型機器人的示意圖，其中磁化方向為0°、45°或90°，相對于微型機器人的縱向方向。"M"表示磁化。(E) 四個微型機器人的磁組裝，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器人群體執(zhí)行多種任務。

微型機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）。實驗表明，50個微型機器人的HT、SC和FF組裝體的CA/V分別為3.1、4.6和6.2 mm^-1，與理論計算相吻合。組裝剛度亦與組裝體厚度相關，因結構剛度隨厚度增加而增強。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，實現(xiàn)高長寬比。

微型機器人組裝體在執(zhí)行群體行為時，展現(xiàn)出自主合作能力，如攀爬、行走、拋擲單個機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，無需額外磁場控制。為優(yōu)化樞軸運動高度，機器人群體在磁場y軸分量處驅動，實現(xiàn)高度攀爬。HT組裝體因高長寬比，在攀爬時效率優(yōu)于SC和FF群體。例如，八個微型機器人的HT組裝體在5 Hz時能攀爬五倍于身高的障礙物，而SC和FF組裝體則需更多機器人。攀爬后，HT組裝體以最高速度行走，顯示了磁化編程對任務執(zhí)行的關鍵作用。非磁化微型機器人因磁化低且隨機，無法有效攀爬和行走。

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

微型機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）。當磁場旋轉頻率提升至15 Hz后，組裝體產(chǎn)生的剪切力足以使末端微型機器人解體，實現(xiàn)高動量投擲。HT群體適用于此任務，因其高長寬比組裝體增強了離心力，低組裝剛度便于解體。例如，七機器人HT組裝體解體時，投擲速度達1080 BL s^-1，最大投擲高度20.6個身體長度，僅需110 ms克服障礙。

微型機器人群體還能通過組裝體的集體機械扭矩舉起障礙物（圖3C）。HT群體因低組裝剛度，可解體并鉆入障礙物下方，通過樞軸運動提升障礙物。250個微型機器人的HT群體在2.5 Hz下能舉起重量達1600倍單個機器人的障礙物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械扭矩滾動或推動球形貨物和立方體障礙物。

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

在10 Hz頻率下，200個微型機器人的SC群體中，每個機器人平均有4.1個鄰近機器人（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，對群體填充密度進行了定量比較。

圖4. 旋轉微型機器人群體和高封裝密度機器人組裝體的群體智能。(A) 200個微型機器人在10 Hz時的旋轉群體。HT、SC和FF群體的頂視圖。(B) HT、SC和FF群體的封裝結構示意圖。(C) HT、SC和FF群體中相鄰機器人數(shù)量的分布。(D和E) 在10 Hz時，HT、SC和FF群體中微型機器人組裝體的(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的2D筏結構。SC群體的組成機器人數(shù)量為1,000。(G) 通過SC群體在1.5 Hz時進行的水面以上藥物輸送的時間推移圖像。(H) 通過250個微型機器人的SC群體在10 Hz時進行的陸地貨物運輸。(I) (H)中所示貨物的運輸距離。

微型機器人群體通過旋轉運動展現(xiàn)了多功能性，并能進行高效的軌道拖動運動（圖5A和5B）。在軌道拖動中，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構，F(xiàn)F組裝體因高剛度達到最高Nmax。SC組裝體Nmax，因多方向吸引力限制組裝。非磁化機器人無法執(zhí)行軌道拖動，凸顯磁化編程的重要性。軌道拖動運動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，通過y軸操縱快速繞過。繞行后，降低Bmax梯度可恢復旋轉運動。FF群體的高Nmax和驅動速度使其能產(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LM的高表面張力和粘性，F(xiàn)F群體展現(xiàn)容錯性，保持組裝狀態(tài)，成功分離和運輸EGaIn，實現(xiàn)形狀變形。

圖5. 高剛度微型機器人組裝體的軌道拖動群體及群體智能。（A）改變磁場Bmax以切換微型機器人群體的運動。對于軌道拖動運動，應用了高Bmax梯度，為7 T m^-1，而旋轉運動的Bmax梯度為0.15 T m^-1。（B）在7 T m^-1下的軌道拖動，由200個微型機器人的FF群體在5 Hz時表示。（C）2 Hz時軌道拖動HT、SC和FF組裝體的側視圖。（D）微型機器人群體在軌道拖動運動期間的Nmax。（E）FF群體通過2.5 Hz的軌道拖動運動繞過障礙物。（F和G）通過200個微型機器人的FF群體在5 Hz時對液態(tài)金屬（LM）進行形狀修改，如（F）分離和（G）運輸、合并及變形。

具有容錯性和敏捷性的FF群體成功完成了類似血管栓塞的管道疏通任務（圖6）。為了模擬血栓環(huán)境，該團隊使用剪切模量約為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和旋轉運動的結合，以與外部磁場方向保持一致。這種雙重運動是因為FF群體無法沿著永磁體的旋轉軌跡被豆腐這樣的物理障礙拖動。在15赫茲的雙重運動中，由200個微型機器人組成的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，將殘留的豆腐運輸并移除，減少了再次栓塞的風險。

圖6. FF群體清除血管閉塞類似管道的堵塞。時間推移圖像顯示（A）FF群體250個微型機器人清除管道堵塞和（B）移除管道內(nèi)的雜質。由于堵塞管道狹窄，F(xiàn)F群體展現(xiàn)了旋轉和軌道拖拽的復合運動。

該研究團隊成功構建了一套基于微型機器人群體旋轉與軌道拖動運動的生物引導系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過調控運動模式間的轉換，實現(xiàn)對施加于生物體之力度的精確控制。在2.5 Hz的旋轉運動中，高填充密度的SC群體有效地引導了螞蟻與團子蟲。SC群體借助較低的沖擊力，通過腿部動作阻礙螞蟻，背部輕觸阻礙團子蟲，實現(xiàn)了無損運輸至目標位置。然而，F(xiàn)F群體的軌道拖動運動因其高沖擊力，不適宜引導小型生物，以免造成控制困難或損傷。螞蟻與團子蟲的質量分別為3 mg與30 mg，長度分別為3 mm與5mm。

進一步的挑戰(zhàn)在于，是否能夠利用高剛度的FF群體實現(xiàn)對超級蠕蟲的按需喂食。超級蠕蟲憑借觸角上的化學感受器尋食，而FF群體在2.5 Hz的軌道拖動運動中，以其高沖擊力有效阻隔超級蠕蟲接近食物。即便超級蠕蟲試圖繞行，F(xiàn)F群體仍能持續(xù)阻擋其路徑。停止軌道拖動后，超級蠕蟲得以接近食物。由于旋轉運動產(chǎn)生的剪切力不足以阻擋體重500 mg、體長35 mm的超級蠕蟲，故不適用于喂食系統(tǒng)。微型機器人群體系統(tǒng)為生物體引導、運動控制及生長調節(jié)提供了新的策略。

圖7. 按需生物引導系統(tǒng)。(A) 根據(jù)生物體質量選擇群體運動方式。(B和C) 200個微型機器人組成的SC群體以2.5赫茲旋轉運動引導（B）螞蟻和（C）團子蟲的時間推移圖像。(D) 200個微型機器人組成的FF群體以2.5 Hz軌道拖拽運動按需引導超級蟲進食系統(tǒng)的時間推移圖像。

總結：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，促進了自我組織與自主合作行為，且無需外部磁場實時反饋，實現(xiàn)了群體控制的自主性。展望未來，量產(chǎn)微型機器人群體在機器人工程領域應用前景廣闊，包括復雜障礙環(huán)境中的操作、高表面張力液體的形狀控制、生物引導，以及為動脈硬化和平滑肌血栓提供生物醫(yī)學解決方案。