近日，來自歐洲高校的華人科學(xué)家提出了新的控制和性能增強(qiáng)策略，使得片狀軟體機(jī)器人在流體中能自適應(yīng)環(huán)境并實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動，包括滾動、波動爬行、波動游泳和螺旋表面爬行。
這項(xiàng)研究發(fā)表在科學(xué)期刊《Science Advances》上，論文標(biāo)題為《充滿流體的密閉空間中的軟體自適應(yīng)多模態(tài)運(yùn)動策略（Soft-bodied adaptive multimodal locomotion strategies in fluid-filled confined spaces）》。
一、現(xiàn)有的微型機(jī)器人不能自適應(yīng)環(huán)境來行進(jìn)
為了在充滿流動性液體的狹窄空間中順利的移動，軟體機(jī)器人必須產(chǎn)生足夠的推力來克服流體的阻力和與邊界的摩擦力。傳統(tǒng)剛性設(shè)計(jì)的磁體微型機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)移動但是缺乏適應(yīng)性環(huán)境的變化，并且在與生物軟組織接觸時可能會有安全問題。
另一種解決方案是將機(jī)器人的尺寸縮小到空間橫截面尺寸以下，然后通過利用壁效應(yīng)（wall effects）來最小化流體阻力，可是該方案不利于在細(xì)小血管（例如毛細(xì)血管）中運(yùn)動。
最新的一種解決方法是利用柔性軟體材料來構(gòu)建機(jī)器人的主體，使其能夠被動的在流體空間中運(yùn)動，但目前尚未能證明該方案能夠保證主動運(yùn)動的機(jī)動性。
二、華人科學(xué)家為片狀軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)了多種運(yùn)動模式
微型機(jī)器人的運(yùn)動效率也是科學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)之一，根據(jù)不同的環(huán)境場景，片狀軟體機(jī)器人在程序控制下，能夠選擇最佳的運(yùn)動模式。在遠(yuǎn)大于片狀軟體機(jī)器人尺寸的空間中，機(jī)器人可以通過卷曲成圓形來實(shí)現(xiàn)滾動。
在較小的空間中，機(jī)器人可以進(jìn)行基于身體狀態(tài)波動前行，實(shí)現(xiàn)爬行或游泳提高運(yùn)動速度。
在圓柱管的空間內(nèi)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)沿著空間螺旋面爬行，這可以幫助它抵消空間內(nèi)流體的阻力，順利前往目標(biāo)地點(diǎn)。
三、頻率驅(qū)動和體態(tài)控制賦予了片狀軟體機(jī)器人高機(jī)動性三、頻率驅(qū)動和體態(tài)控制賦予了片狀軟體機(jī)器人高機(jī)動性
除去被動的在空間隨流體移動，微型機(jī)器人更需要主動移動的能力。當(dāng)機(jī)器人以不同的驅(qū)動頻率放置在不同的流體粘度中時，它會受到不同的摩擦力和流體動力。通過改變磁驅(qū)動頻率對機(jī)器人體態(tài)起伏和推進(jìn)方向來提供不同的動能。當(dāng)驅(qū)動頻率為 1 Hz 時，片狀機(jī)器人執(zhí)行波動爬行，片狀機(jī)器人在驅(qū)動頻率為 10 Hz 時進(jìn)行波浪式游泳，這為片狀軟體機(jī)器人提供了不同的運(yùn)動方案。
微型機(jī)器人在運(yùn)動過程中會遇到不同的路徑狀態(tài)，及時調(diào)整姿態(tài)可以改變其運(yùn)動模式。例如當(dāng)微型機(jī)器人在充滿液體的圓柱管內(nèi)移動時候，可以將自身姿態(tài)卷曲起來貼近螺旋面。該姿態(tài)的好處是不回阻塞管道，因此流體仍舊能夠通過。再此姿態(tài)下，機(jī)器人能夠通過動態(tài)對齊來旋轉(zhuǎn)方向，從而實(shí)現(xiàn)逆流體移動。
結(jié)論：片狀軟體機(jī)器人有廣闊的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。
人類的身體的內(nèi)部空間充滿了停滯的（例如，粘液）或流動的（例如，血液）生物體液，這對微型機(jī)器人的運(yùn)動是極大的阻礙。
該片狀軟體機(jī)器人能夠自適應(yīng)環(huán)境，通過不同運(yùn)動模式在密閉流體空間中順利移動，為微型機(jī)器人在密閉空間運(yùn)動模式發(fā)展提出了新的思路。
片狀軟體機(jī)器人可以在微創(chuàng)下，安全的在狹窄的流體區(qū)域中運(yùn)動，并且能夠進(jìn)入到危險的或者難以進(jìn)入的身體部位，在未來的醫(yī)學(xué)運(yùn)用中具有巨大的潛力。例如在靶向輸送、細(xì)胞移植、內(nèi)窺鏡移動方式和微創(chuàng)手術(shù)中運(yùn)用此技術(shù)，可以減少患者的生理痛苦，造福更多患者。
來源：Science Advances
