磁驅(qū)動(dòng)微型軟體機(jī)器人具備可編程變形能力與多模態(tài)運(yùn)動(dòng)特性，能夠在復(fù)雜環(huán)境中靈活執(zhí)行各類操作任務(wù)，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有基于彈性體材料的機(jī)器人變形能力有限，無(wú)法在高度受限空間(如遠(yuǎn)小于機(jī)器人自身尺寸的狹窄縫隙)中自由導(dǎo)航，并且它們的功能受到預(yù)先設(shè)計(jì)形狀的限制，難以滿足動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)時(shí)重構(gòu)的需求。
 

　　磁流體液滴兼具良好的順磁性與液體的流動(dòng)性，在外部磁場(chǎng)的調(diào)控下，能夠?qū)崿F(xiàn)可編程重構(gòu)、按需分裂與合并等行為，從而賦予機(jī)器人多樣化的操作功能。因此，構(gòu)建面向磁流體液滴的可編程操控平臺(tái)，有望為海洋微流控、實(shí)驗(yàn)室/器官芯片、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域提供一種全新的微尺度智能操作范式，拓展磁驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用邊界。
 

圖1.小型化機(jī)器人研究意義
 

　　近期，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授曲鈞天團(tuán)隊(duì)圍繞磁流體液滴機(jī)器人在大規(guī)模、獨(dú)立與可編程操控方面的關(guān)鍵技術(shù)難題，成功開發(fā)出一套基于電磁線圈陣列的可編程操控平臺(tái)。通過(guò)靈活部署液滴機(jī)器人，該平臺(tái)在數(shù)字圖案顯示、信息編碼及流體操作等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。
 

　　團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了一種高密度分布式電磁線圈陣列，用于在毫米尺度上實(shí)現(xiàn)液滴機(jī)器人大規(guī)模可編程操控。該平臺(tái)集成了144個(gè)小尺寸電磁線圈，能夠在113×113平方毫米的工作空間內(nèi)生成多個(gè)局部磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。結(jié)合有限元仿真，團(tuán)隊(duì)分析了單個(gè)線圈及其鐵芯所產(chǎn)生的復(fù)合磁場(chǎng)分布特性，并評(píng)估了磁力對(duì)液滴的驅(qū)動(dòng)效果。平臺(tái)融合定制驅(qū)動(dòng)電路、視覺反饋模塊與多線程軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)的高精度調(diào)控，確保機(jī)器人響應(yīng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性；低功耗驅(qū)動(dòng)保障了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。
 

圖2.分布式磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述
 

　　其次，團(tuán)隊(duì)深入探究了液滴機(jī)器人在局部磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與變形機(jī)理。通過(guò)調(diào)節(jié)相鄰線圈電流的方向與幅值，可以誘導(dǎo)液滴發(fā)生可逆分裂與合并。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)線圈施加方向相反的電流時(shí)，可驅(qū)動(dòng)液滴產(chǎn)生拉伸形變；進(jìn)一步調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度比，可精確控制分裂后的液滴體積比。此外，研究還揭示了液滴尺寸、電壓強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)速度間的關(guān)系，為復(fù)雜操控提供了理論基礎(chǔ)。
 

圖3.液滴機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和變形的機(jī)理與表征
 

　　為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)液滴機(jī)器人的協(xié)同路徑跟蹤，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于視覺反饋的離散閉環(huán)控制策略。通過(guò)頂部相機(jī)獲取機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置，結(jié)合預(yù)定義軌跡，逐步激活對(duì)應(yīng)線圈驅(qū)動(dòng)液滴機(jī)器人遍歷子目標(biāo)點(diǎn)。控制流程引入任務(wù)調(diào)度邏輯：若兩個(gè)液滴機(jī)器人的路徑存在運(yùn)動(dòng)干擾，則采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式，確保各機(jī)器人獨(dú)立、安全運(yùn)行。四個(gè)液滴機(jī)器人成功完成“SIGS”等復(fù)雜路徑跟蹤，誤差控制在1毫米以內(nèi)，證明了所提策略的有效性。
 

　　最后，團(tuán)隊(duì)展示了液滴機(jī)器人在復(fù)雜任務(wù)場(chǎng)景下的高效協(xié)同能力，包括自主排序、圖案重構(gòu)、數(shù)字顯示、摩斯編碼和流體混合等功能。在排序任務(wù)中，結(jié)合“歸并排序”算法與磁陣列系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)液滴在有限步數(shù)內(nèi)完成體積升序排列，整體效率較單個(gè)機(jī)器人操作提升三倍以上。在圖案重構(gòu)方面，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整液滴陣列，快速切換不同字母或摩斯碼圖案，完成信息的可視化編碼。在流體混合實(shí)驗(yàn)中，多個(gè)液滴機(jī)器人分別從不同通道泵入染料，并在混合區(qū)完成主動(dòng)攪拌，展現(xiàn)出該平臺(tái)在數(shù)字微流控、反應(yīng)調(diào)控與材料合成等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
 

圖4.可編程重構(gòu)示意圖
 

圖5.流體混合示意圖
 

　　相關(guān)研究成果以“用于大規(guī)模磁流體液滴機(jī)器人可編程控制的電磁線圈陣列系統(tǒng)”(Development of an Electromagnetic Coil ArraySystem for Large-Scale Ferrofluid Droplet Robots Programmable Control)為題，于6月30日發(fā)表于《IEEE機(jī)器人學(xué)匯刊》(IEEE Transactions on Robotics)。
 

　　論文通訊作者為曲鈞天，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2024級(jí)博士生崔光明。其他合作者包括江南大學(xué)教授樊啟高和德國(guó)癌癥研究中心教授丘天。研究得到清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院海外科研合作基金的資助。