“‘像素’結構的運用，源于一些童年記憶，作為 80 后一代，許多人都對任天堂游戲留下了深刻印象。游戲中由低分辨率像素構成的世界，是那么精彩、那么有趣。二十多年后，我已成為一名科研工作者。本次研究中，我把像素概念引入機器人制造，來讓其形狀設計更加系統(tǒng)化。”中科院博士后趙冉說。
這篇論文提出了一種形狀可編程磁性像素軟機器人的實現(xiàn)方法，機器人采用鎵/釹鐵硼/硅膠復合材料，且具有點陣結構。此外，作者還開發(fā)了可編程磁化技術和設備，以實現(xiàn)磁性像素膜的可重復磁編程。
具體來說，通過將液態(tài)金屬/磁性顆?；旌衔?，封裝在特定的微小區(qū)域內（被稱為“磁像素”），他首次實現(xiàn)了基于低溫相變的軟體機器人可重復磁編程，調控溫度非常接近于生物體適應的溫度。并且，他還讓磁軟體機器人具備“硬化”功能，機器人在無磁場條件下能保持固定形狀。
通過這些技術，磁軟體機器人具備了豐富的可編程特性，并具備了“智能化”特征。這種可反復編程的磁化、剛度變化，可讓軟體機器人像傳統(tǒng)機器人那樣，通過編程來配置新功能，磁軟體機器人可在軟形式和剛性形式之間自由切換，以滿足不同任務的需求。
可在磁彈性體上實現(xiàn)可重復磁化
其最新論文的研究靈感來自小時候的游戲，具體來說這是一項關于磁軟體機器人的研究。
圖 | 趙冉（來源：趙冉）
磁軟體機器人離應用到底還有多遠？
在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療等領域，磁軟體機器人具有廣泛應用前景。但目前它存在的技術缺陷也非常明顯：功能單一、無法重復使用、剛度低、無法定形等。
過往研究顯示，這類機器人往往只能執(zhí)行簡單動作，例如抓取、爬行、翻滾、游動等。而由于較低的系統(tǒng)剛度，它們對環(huán)境壓力的耐受度、負載以及交互能力都非常有限。從實驗室走向應用，磁軟體機器人仍有很長的路要走。
基于此，趙冉提出一種基于像素結構的磁軟體機器人制造方法，它可用于制造從毫米到更大尺度的磁驅動軟體機器人。相關論文題為《形狀可編程磁性像素軟機器人》（Shape Programmable Magnetic Pixel Soft Robot），目前已被 CCIR2021 會議收錄。
這篇論文提出了一種形狀可編程磁性像素軟機器人的實現(xiàn)方法，機器人采用鎵/釹鐵硼/硅膠復合材料，且具有點陣結構。此外，作者還開發(fā)了可編程磁化技術和設備，以實現(xiàn)磁性像素膜的可重復磁編程。
磁性軟機器人的運動來自于在磁場作用下，包裹在柔性矩陣中的磁性粒子的響應，這些顆?？梢允擒洿判圆牧?，也可以是磁性硬磁性材料。當采用硬磁性材料時，功能膜擁有較高的其殘余磁化強度。
論文提出了提出一種磁性編碼技術來模型化軟件機器人響應動作設計。利用該方法，他制備了幾種基于折紙結構的磁性軟機器人。實驗結果表明，利用磁性編碼技術可以靈活地、重復地調節(jié)機器人的行為模式。
具體來說，通過將液態(tài)金屬/磁性顆?；旌衔?，封裝在特定的微小區(qū)域內（被稱為“磁像素”），他首次實現(xiàn)了基于低溫相變的軟體機器人可重復磁編程，調控溫度非常接近于生物體適應的溫度。并且，他還讓磁軟體機器人具備“硬化”功能，機器人在無磁場條件下能保持固定形狀。
通過這些技術，磁軟體機器人具備了豐富的可編程特性，并具備了“智能化”特征。這種可反復編程的磁化、剛度變化，可讓軟體機器人像傳統(tǒng)機器人那樣，通過編程來配置新功能，磁軟體機器人可在軟形式和剛性形式之間自由切換，以滿足不同任務的需求。
下圖顯示了十字形狀的軟機器人，在實現(xiàn)三種不同的磁編碼時的磁響應。這款機器人是一個長有四個葉片的風扇，當使用另一種磁碼時，機器人可以站起來，它還可作為一個磁性抓手或膠囊，捕獲或運輸一個目標。
下面則展示了一個磁性折紙機器人，它由 8 個三角形板組成。四種編碼用于生成包括：平行折疊、對角線折疊、金字塔和對角線雙折疊在內的不同變形。這證明通過可重復的磁化技術，該機器人可以被重新編碼，以產生不同的響應動作。
可在磁彈性體上實現(xiàn)可重復磁化
最初，趙冉只是想尋找一種可在磁彈性體上實現(xiàn)可重復磁化的技術。
當時主要有兩類可行的方案：其一，通過控制磁性顆粒充磁/退磁實現(xiàn)可重復磁化；其二，利用高分子材料的玻璃化轉變特性，實現(xiàn)磁性顆粒的翻轉和重新排列。
但這些方法所需的控制溫度都非常高，超過生物組織可承受的范圍。這時，趙冉在做拉伸傳感器研究時，讀到一些液態(tài)金屬電極的研究文獻。
很快他就意識到，液態(tài)金屬是一種可幫助他實現(xiàn)可重復磁編程的完美材料：以鎵基合金體系為例，它擁有豐富的熔點范圍，大約在 0-30 攝氏度，且可通過調整元素配比實現(xiàn)，這意味著只需要極小的能量，就能實現(xiàn)相變。
通過早期實驗和一些文獻資料，他還發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬磁性復合材料的一些有趣物理現(xiàn)象。比如，這類材料具備高流變性和磁極可重構性，而這正是實現(xiàn)“磁記憶”的基礎。于是最初的設計產生了：借助模具，趙冉把液態(tài)金屬/釹鐵硼復合材料制作成薄板，在低溫下將其封裝在硅膠中。
然后他發(fā)現(xiàn)，這些機器人原型機實際上可以實現(xiàn)”冷編程”，也就是無需加熱即可編程。此外，還有一個更有趣的現(xiàn)象：通過溫度調節(jié)可讓機器人在軟體和剛體形態(tài)下轉換。這些初步的結果，促使他繼續(xù)深入研究，因為這些特性將會使磁軟體機器人更具靈活性，同時還會帶來更豐富的功能。
在此基礎上，趙冉希望將這項技術更加泛化，使它不僅僅停留在幾種簡單范例結構的層面。具體來說，將液態(tài)金屬/釹鐵硼復合材料封裝在微小的區(qū)域中，并將這種微小單元命名為 “磁像素”。每個磁像素可以作為獨立的工作區(qū)域，也可和其它像素一起構成更大的磁化輪廓。
另外，為保留“硬化”功能，他還在像素之間增加了微溝道，使它仍然可以在低溫下固定形狀。他還分析和比較了目前已報道的磁性編程技術，具體情況見下表。對比可知，該技術可讓 3D 進行可重復磁化，而且需要的加熱溫度更低。
審稿人認為，趙冉等人提出了一種可被磁場和溫度激活的軟體機器人，它可實現(xiàn)磁化和剛度的雙重調節(jié)。這一想法非常超前。
在未來，液態(tài)金屬磁軟體機器人有望應用于藥物輸運、活體取樣、介入治療等領域。
總結來說，趙冉設計出一種具有熱/磁響應函數、可重復磁化的磁性像素薄膜，并開發(fā)出一種三維磁向量編程設備，它可以將任意方向的磁各向異性配置為獨立的磁像素。此外，他還提出一種磁編碼技術，并提出了相應的數學模型，為機器人自動行為設計提供了基礎。
于他而言，微型軟體機器人的研究才剛剛開始。微型軟體機器人能否像傳統(tǒng)機器人那樣具有智能性？例如可感知，可通訊、可編程？這是他給自己提出的問題。在他看來，類似《超驗駭客》中那種無所無所不能的納米機器人應該不會在可預見的較短時間內出現(xiàn)，但它至少會成為很多研究者的愿景。到那個時候，人類對于微觀世界的改造能力將會登上一個新的臺階。
未來，趙冉將進一步縮小機器人的尺寸，并嘗試設計一種 3D 結構。他相信，通用技術的發(fā)展將有助于使微磁軟機器人盡快從實驗室走向商業(yè)應用。
