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MIT趙選賀《Nature》評述：納米磁控微型軟體機器人

2019.11.14

　　變形金剛威猛，鋼鐵俠酷炫，這些英雄陪伴我們成長。但是這些存在于科幻電影中的機器人都是由剛性材料構建的，與人一般大小甚至比人類大出幾個size。而尺寸遠小于人體的，由軟材料或具有柔性結構的材料構建的微型機器人在微觀世界也扮演著英雄，與剛性機器人相比，它們能更安全地與人類互動。在眾多的為這些機器人提供能量的方式中，磁場為人體有限空間內的無線操作提供了一種安全有效的方式。

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　　11月6日，瑞士聯邦理工學院的Cui Jizhai 、Huang Tian-Yun 及其同事在Nature發表了名為“Nanomagnetic encoding of shape-morphing micromachines”的文章。他們對單個區域的納米磁體進行設計，將形狀變化指令通過編程的方式輸入微型機器人。對納米磁體施加特殊的磁場序列后，實現微型機器人的形狀變化。麻省理工的趙選賀在《Nature》上發表了題目為“Soft microbots programmed by nanomagnets”評述。

　　中國古代典籍《鬼谷子》與《韓非子》中首次報道了磁石是與地球磁場相一致的礦物質，并將其應用于早期的羅盤。過去的幾年里，軟體機器人也采用了類似的原理。外部磁場為機器人提供了一種快速移動或改變形狀的方法。這種驅動機制在設計機器人的結構、磁化模式和強度，以及何時何地應用磁場來控制機器人方面具有很大的靈活性。此外，我們可以通過精確計算外部磁場作用于磁體上的力和力矩建立模型并定量描述所設計的機器人的運動。

　　磁性軟體機器人已有多種應用，特別是在與人體密切相關的生物醫學領域。如自折疊式“折紙”機器人可以在腸道中爬行、修補傷口、將吞下的物體取出來；膠囊狀的機器人可以沿著胃的內表面滾動，進行活組織檢查并運送藥物。此外，科學家們還研制出了尺寸從幾百微米到幾厘米不等的更薄的線型機器人，它們有可能在大腦血管中穿行，以治療中風或動脈瘤。

　　磁性軟體機器人的進一步小型化可能帶來新的應用，如在最小的血管中進行操作甚至操縱單個細胞，但制備這樣的微型機器人并非易事。現有的制備方法包括磁性組分的直接組裝、負載粒子的聚合物薄片的磁化以及含有定向磁性顆粒的柔性復合材料的打印等。Cui Jizhai 、Huang Tian-Yun 及其同事進一步推進了這項技術的邊界，他們使用電子束光刻技術，制造出了只有幾微米大小的可磁重組機器人，具體來說就是在柔性氮化硅(Si3N4)薄片基板上制備納米級鈷磁體陣列。暴露于外部磁場后，這種鈷納米磁性材料在仍能保持磁性，這種行為被稱為遲滯，納米磁鐵的形狀是造成遲滯的原因之一。通常來說薄的納米磁體更難磁化，反過來，這意味著我們能夠使用相對弱的磁場“改寫”較厚磁鐵的強度和磁化方向。

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圖1 由3×3陣列組裝的微型機器人的四種不同變換形狀

　　因此，Cui及其同事們選擇性地調整納米磁性材料的磁化強度，從而使驅動磁場(比最初磁化它們的磁場弱得多)能夠使不同的薄片以不同的方式折疊。由此產生的薄片組合經過“編程”可以在驅動磁場中形變得到特定的結構(圖2)。這些結構進一步可以組裝成復雜的形狀，比如字母，甚至可以用顯微鏡來觀察組裝得到的“鳥”的轉身、拍動和滑翔等。

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