微型軟體機器人在體內(nèi)/體外生物醫(yī)學研究中具有廣泛的應用前景。近年來，柔性機器人的驅(qū)動和運動研究方面已取得了大量的成果，但在環(huán)境感知、遠程信號傳輸?shù)确矫孢€存在較大的挑戰(zhàn)，離實際應用還有不小的距離。香港城市大學（香港城大）領(lǐng)導的研究團隊基于此前研發(fā)的多足軟體機器人（Nat.Com. 2018,9(1): 1-7）及微能源收集技術(shù)（Joule?2018, 2(4): 642-697），在微型機器人上集成了驅(qū)動、感知、信號傳輸?shù)葐卧ㄟ^耦合磁效應和壓電效應，研制了一種可進行遠程控制移動、周圍環(huán)境感知和遠程通訊為一體的無栓系微型軟體機器人。
相關(guān)成果由香港城大的申亞京課題組與楊征保課題組以《基于耦合磁效應和壓電效應實現(xiàn)遠程控制移動、感知和通訊的毫米級軟體機器人》（Battery-Less Soft Millirobot That Can Move, Sense, and Communicate Remotely by Couplingthe Magnetic and Piezoelectric Effects）為題目，于近日發(fā)表在綜合期刊《尖端科學》（Adv. Sci.2020, DOI:10.1002/advs.202000069）上。
該微型機器人將機器人驅(qū)動單元和感知單元集成在一個多層薄膜（<0.5 mm）內(nèi)，下部的仿生多足磁性復合材料肢體可提供驅(qū)動力，而柔性壓電陶瓷復合薄膜可提供感知功能。論文的共同第一作者，香港城大生物醫(yī)學工程學系博士后陸豪健說：“現(xiàn)階段對于微型軟體機器人來說，感知能力與運動性能的完美集成是一個挑戰(zhàn)。這項工作借鑒了此前工作多足結(jié)構(gòu)的設(shè)計以保證其運動性能，同時利用射頻識別技術(shù)（RFID），將三個重要模塊，即上層的近場通信（NFC）電子模塊，中間的壓電感知（PEG）模塊和底部的多足軟體驅(qū)動（MSR）模塊（如圖1所示）集成在總體尺寸小于10×30 mm2的機器人上，其大小僅與指尖相當。在外部的磁驅(qū)動下，該微型軟體機器人可實現(xiàn)遠程驅(qū)動、環(huán)境監(jiān)控和無線通信，而無需任何負載電池或外部有線電源。”?
此前，香港城市大學（香港城大）領(lǐng)導的研究團隊研發(fā)了一種可在干燥和濕潤環(huán)境下運動的仿生多足軟體機器人，該機器人可以通過磁場的控制，用拍打的方式或左右擺動的方式運動，并且可以負載超過自身重量百倍的物體移動，在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有重要應用
此次研發(fā)的機器人，在此基礎(chǔ)之上集成了三個重要模塊，分別承擔信號傳輸，傳感識別和運動驅(qū)動的任務。其中NFC的使用可以使無線通信模塊能夠獲取無線信號并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺魏蜰FC支持的消費類設(shè)備，例如智能手機和計算機。PEG模塊由壓電陶瓷復合材料（鋯鈦酸鉛PZT和聚二甲基硅氧烷PDMS），兩層銀電極和基底（PI膜和PDMS膜）構(gòu)成，其產(chǎn)生的壓電信號能夠用于對外界環(huán)境的感知。MSR模塊由PDMS和磁性顆粒復合材料構(gòu)成，其下方獨特的多足設(shè)計減少了軟體機器人運動的表面接觸面積。
除了多功能的集成，用于制作壓電感知模塊（PEG）的設(shè)計也很重要。論文的共同第一作者，香港城大機械工程學系在讀博士生洪穎說：“與傳統(tǒng)的將壓電陶瓷粉末和高分子材料直接混合制成的壓電陶瓷/高分子復合材料不同的是，這次我們基于紙模板制備了一種具有連續(xù)3D陶瓷框架的壓電泡沫復合材料，讓其具有更好的機械特性和壓電特性（如圖3所示）。與傳統(tǒng)方法相比，這種無縫集成的全軟體結(jié)構(gòu)，能夠很好地發(fā)揮全軟體機器人的優(yōu)勢?！?/p>
洪穎補充道：“此外，這種壓電陶瓷復合材料同時具有很好的抗疲勞特性，在十萬次壓縮及一萬次彎曲循環(huán)中都能保持很好的壓電響應（如圖4所示），保證了機器人的運動能力。”
在實驗中，通過外界磁場的控制，微型軟體機器人可以以拍打的方式向前移動，其本身的PEG模塊可以產(chǎn)生相應的壓電信號（如圖5所示）。值得指出的是，機器人運動所產(chǎn)生的壓電信號會隨著接觸界面的不同而發(fā)生變化，例如剛性平面界面可以產(chǎn)生突變信號峰，剛性臺階界面導致信號峰值降低，柔性臺階界面可以得到一個非常平穩(wěn)的信號波，液體界面由于表面張力的影響會產(chǎn)生雙峰信號?！霸谶\動過程中，機器人的針狀足，就像無數(shù)個AFM探針一樣不斷地對周圍環(huán)境進行掃描（如圖6所示），我們期望將來能將這種技術(shù)用于體內(nèi)不同區(qū)域的檢查，如是否發(fā)生病變等?！标懞澜〔┦空f道。
楊媛媛補充說：“除了其自身具有的探針感知能力之外，這種微型軟體機器人還能攜帶不同類型的傳感器探測周圍的環(huán)境。例如，當這種攜帶有溫度傳感器的微型軟體機器人經(jīng)過紅外線照射的不同區(qū)域時，其溫度變化產(chǎn)生的電信號能通過NFC無線傳輸?shù)诫娔X端（如圖7所示）?！?/p>
楊征保博士和申亞京博士總結(jié)道：“這種具有感知功能的無栓系微型軟體機器人有非常多的優(yōu)勢，如全軟體結(jié)構(gòu)，較長的使用壽命，出色的機械強度和可靠性，運動、感知和無線通信的同時實現(xiàn)，以及高度靈敏的界面感應和熱感應。這種集無線驅(qū)動與傳感于一身的無縫集成概念為新興的無栓系微型軟體機器人提供了一種通用解決方案，它將在諸如無線操縱和傳感以及體內(nèi)醫(yī)學監(jiān)測治療等領(lǐng)域有十分廣泛的應用。”
該工作由香港城市大學生物醫(yī)學工程學系申亞京課題組及機械工程學系楊征保課題組共同完成。香港城市大學生物醫(yī)學工程學系陸豪健博士和機械工程學系的在讀博士生洪穎為論文的共同第一作者，其他作者包括生物醫(yī)學工程學系的在讀博士生楊媛媛，楊征保和申亞京為論文的共同通訊作者。該項目研究得到了國家優(yōu)秀青年科學基金（港澳）（NSFC61922093），國家自然科學基金（61773326,11902282），香港大學教育資助委員會（21210619），香港城大校內(nèi)基金（9610390）等資助。
