近期，上海交通大學劉清坤副教授與美國康奈爾大學團隊合作，提出了一個全新的概念微型變形超構機器人（Metabot）。
他們基于超材料構筑了一款尺寸小于 1 毫米的“微型變形金剛”，不僅可用微電子控制、可重構任意形狀，還能夠讓它進行可控的定向行走。
“微型機器人尺寸非常小，通常其只能進行腿部的局部運動，而我們的微型變形機器人能夠在大范圍內任意改變身體的形狀�！眲⑶謇け硎�。
圖丨劉清坤和超構機器人模型（來源：劉清坤）
這款微型機器人采用了基于剪紙結構的設計，并結合了電化學驅動的微型執(zhí)行器。它由多達上百個基本單元組成，包括約 100 個二氧化硅面板和 200 多個活動鉸鏈組成，而鉸鏈的厚度僅為 10 納米。
通過電化學驅動方法，這些鉸鏈能夠在短短 100 毫秒內帶動微機器人實現(xiàn)局部擴展和收縮，最大可達 40% 的面積變化。并且，它還能夠根據(jù)激活的鉸鏈不同，改變形狀并執(zhí)行多種運動模式。
微型機器人的設計靈感來源于自然界中能夠大范圍變形的生物，如細胞或變形蟲。
由于基元眾多，雖然靈活性高，但這也使得其在可控性操作方面變得非常困難。如何平衡機器人的靈活性和剛性，是研究人員面臨的挑戰(zhàn)之一。
基于此，他們通過精確電可尋址的驅動方式，嘗試讓這些基元能夠精確地實現(xiàn)目標形狀，并且一旦變形就能按照設計的模式穩(wěn)定、有序地保持在某個形狀，而不是隨意變形。
需要了解的是，這種微型機器人由力學超材料制備而成，它的獨特之處表現(xiàn)在，當材料在某個方向被拉伸至膨脹時，與之垂直的方向也會隨之膨脹。
這種叫做“拉脹”的材料具有負的泊松比，這與自然界材料在被拉伸時垂直方向會收縮的特性截然不同。
圖丨基于剪紙結構設計的微型變形機器人（來源：Nature Materials）
研究人員利用超材料的這種特性來開發(fā)可變形的微型機器人，因而將這種機器人命名為“超材料機器人”（Metasheet Robot），簡稱“Metabot”。“這不僅是新名稱，也代表了一個設計微型機器人的新概念�！眲⑶謇ふf。
這種基于超材料制備的微型機器人，展現(xiàn)出了更高的靈活性和魯棒性。其結構由眾多的基元組成，這與傳統(tǒng)機器人的設計具有本質的區(qū)別。
傳統(tǒng)機器人通常只有一個主體和兩條腿，一旦腿部受損就可能導致行走功能喪失，而微型變形機器人即便部分基元受損，也能夠保持正常的運作能力。
在結構設計上，研究人員嘗試了多種形狀后發(fā)現(xiàn)，六邊形結構在變形范圍和自由度上表現(xiàn)最佳。
與四邊形結構相比，六邊形結構不僅形變范圍更大，而且自由度適中，既不會過于僵硬，也不會因過于柔軟而變得難以控制。
“正是這種結構的獨特性，使得這款微型變形機器人在變形和移動性能上具有顯著優(yōu)勢。”劉清坤說。
圖丨微型超構機器人變形成多種三維形狀（來源：Nature Materials）
日前，相關論文以《電子可配置的微觀超材料片機器人》（Electronically configurable microscopic metasheet robots）為題發(fā)表在 Nature Materials[1]。
上海交通大學副教授劉清坤和康奈爾大學王偉博士是共同第一作者，康奈爾大學伊泰科恩（Itai Cohen）教授擔任通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Nature Materials）
這種微型機器人具有尺寸極小和強大的變形能力的優(yōu)勢，因而在生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測和微流控技術等領域具有廣泛的應用前景。
例如，在微型機器人表面的面板上安裝帶有醫(yī)學標志物的傳感器或微控制器，以能通過人體腔道等復雜、狹窄的環(huán)境。
目前，該微型機器人還處于研究初期階段，面板上的功能尚未完全開發(fā)。
下一步，該課題組計劃進一步提升其性能，并在面板上搭載更豐富的功能，如傳感器、藥物載體、微控制芯片等組件，以實現(xiàn)無線控制，并通過處理器間的通信實現(xiàn)分布式控制。
與此同時，研究人員正在考慮將這種微型機器人集成到內窺鏡末端，以便通過微創(chuàng)手術的方式將其送入體內進行檢測和治療。
劉清坤指出，這種微型機器人不僅能夠釋放藥物，還甚至可能因其強大的變形能力，進行精細的操作動作。“這需要我們研發(fā)更強大的驅動器，以確保機器人有足夠的力量來抓取和移除病變組織，類似于柔性機器人或柔性機械手的功能。”
此外，在微型機器人表面還可安裝電極，利用電刺激的方式來治療病變部位，這將進一步增強其在微創(chuàng)醫(yī)療領域的應用潛力。
參考資料：
1.Liu, Q., Wang, W., Sinhmar, H. et al. Electronically configurable microscopic metasheet robots. Nature Materials (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02007-7
排版：劉雅坤
