自然界中，鮮花隨風(fēng)飄動。

實驗室里，科學(xué)家們也做出了類似效果。

不過，「會動的花瓣」背后的驅(qū)動力不是風(fēng)，而是磁場。按照這一思路，由磁場驅(qū)動的可編程軟體機器人也被設(shè)計了出來。

這一機器人背后的團隊是一組來自馬克斯 · 普朗克智能系統(tǒng)研究所物理智能部門、卡耐基梅隆大學(xué)機械工程系、土耳其科克大學(xué)醫(yī)學(xué)院及工程學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所的研究人員。

2020 年 9 月 18 日，該團隊的研究成果正式發(fā)表于頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》子刊《科學(xué)進展》（Science Advances），題為 Reprogrammable shape morphing of magnetic soft machines（磁動力軟體機器人的可編程形變）。

軟體機器人靠什么驅(qū)動？

軟體機器人正在進入大眾視野。

香港科技大學(xué)機器人研究院院長王煜曾在 2018 世界機器人大會上表示，從最基本的角度來看，軟體機器人主要存在三大問題——如何定義軟體機器人系統(tǒng)、如何設(shè)計/控制軟體機器人系統(tǒng)、制造軟體機器人系統(tǒng)的材料問題。

對于第二大問題，王煜教授認為：

我們不可能用鉸鏈和傳感來解決如何從軟體機器人當(dāng)中產(chǎn)生運動，以及更復(fù)雜地怎么控制運動?？刂票愠闪朔浅Ｂ闊┑氖虑?，因為有無窮多的自由度，要看怎么驅(qū)動軟體機器人系統(tǒng)，最終怎么做到很好的控制。

也就是說，對于軟體機器人來說，驅(qū)動方式是重要一環(huán)。

其實，軟體機器人的發(fā)展離不開包括材料學(xué)、機器人學(xué)、生物力學(xué)、傳感與控制在內(nèi)的多學(xué)科進步，隨著相關(guān)學(xué)科近年來的迅速發(fā)展，各種不同驅(qū)動方式的軟體機器人開始涌現(xiàn)。

比如氣體驅(qū)動——機器人與自動化國際會議 ICRA 2017 上，加州大學(xué)圣地亞哥分校機器人實驗室公布了一款 3D 打印的軟體四足機器人，這一機器人靠氣體驅(qū)動，它的每條腿都由 3 條可伸縮的充氣橡皮管制造而成。

再比如光源驅(qū)動——2016 年，波蘭華沙大學(xué)物理學(xué)院的研究人員設(shè)計了一款由液晶彈性體制成的軟體機器人，暴露在可見光下時會發(fā)生形變，身體也會相應(yīng)進行移動。

甚至是自我驅(qū)動——還是在 2016 年， 哈佛維斯生物工程研究所制造出了世界上第一個完全軟體的自我驅(qū)動機器人，據(jù)說可以獨立運行 4-8 分鐘。當(dāng)時這只「小章魚」還登上了《自然》雜志。

那么，前文所說的受到磁場驅(qū)動的軟體機器人有先例嗎？當(dāng)然有。

同樣是在 2016 年，美國科學(xué)家受魚的啟發(fā)，研發(fā)出一款「納米魚機器人」，其應(yīng)用場景正是在人體內(nèi)輸送藥物。這條小魚受磁驅(qū)動，游泳的速度和方向由磁場的方向和力量決定。

問題來了：時隔四年，磁驅(qū)動軟體機器人系統(tǒng)有了怎樣的革新？

二氧化鉻微粒的高通量磁編程

首先要明確的是，科學(xué)家們將這一機器人稱為「由磁場驅(qū)動的可編程軟體機器人」，也就是說，這一機器人的突破就在于「可編程」。

科學(xué)家們表示，雖然磁驅(qū)動軟體機器人已經(jīng)應(yīng)用到了微創(chuàng)醫(yī)學(xué)、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域，但機器人內(nèi)部的磁場分布都是按照預(yù)先設(shè)定好的模式進行制造的，無法重復(fù)編程。

用科學(xué)家們的話說就是：

目前的磁編程方法內(nèi)在地耦合到了順序制造過程，阻止了可重編程和吞吐量編程。

基于此，團隊的策略是熱輔助磁編程。

第一步是，通過激光局部加熱磁性軟材料，直至溫度高于嵌入軟體機器人系統(tǒng)中的二氧化鉻 10 微米大小微粒的居里溫度。

居里溫度也叫居里點（Curie point），19 世紀末由皮埃爾·居里提出。它是指磁性材料中自發(fā)磁化強度降到零時的溫度：

• 溫度低于居里點時，物質(zhì)成為鐵磁體，和材料有關(guān)的磁場很難改變；

• 溫度高于居里點時，物質(zhì)成為順磁體，和材料有關(guān)的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。

所以科學(xué)家們第一步要做的就是將嵌入軟體機器人系統(tǒng)中永鐵磁顆粒加熱成為順磁體，其磁場就能受外界影響。

【居里夫人的丈夫皮埃爾·居里】

第二步是，在冷卻過程中施加磁場，重新定向嵌入軟體機器人系統(tǒng)中永鐵磁顆粒的磁疇。

這里需要解釋一下什么是磁疇（Magnetic Domain）。

我們都知道，分子、原子可以構(gòu)成物質(zhì)材料的基元（構(gòu)成生物體的大分子上的局部區(qū)域），基元中電子繞著原子核運轉(zhuǎn)就能形成電流，電流又可以產(chǎn)生磁場。

因此，每個基元都相當(dāng)于一個很小的磁體，而大量基元就組成一個更大的結(jié)構(gòu)，如果結(jié)構(gòu)中所有基元都會產(chǎn)生同方向的磁場，那么這個結(jié)構(gòu)就叫做磁疇。

按照上述策略，科學(xué)家們展示了高空間分辨率（~38 μm）的離散、三維和可重編程磁化。

上圖 A 部分正是上述兩步操作的示意圖。

B 部分展示的則是，加熱到二氧化鉻粒子的居里溫度（118℃）用了 1.7s，冷卻到居里溫度的一半用時 4s。C 部分顯示，熱輔助磁化達到 90%。

激發(fā)軟體機器人的潛力

那么，這樣的策略成效如何呢？

論文介紹，團隊利用可編程磁化，成功改變了軟體機器人內(nèi)部的磁場分布。由此，輔助超材料結(jié)構(gòu)的機械行為可得到重構(gòu)，行走軟體機器人的運動可得到調(diào)節(jié)，軟夾也能實現(xiàn)自適應(yīng)抓取。

如下圖所示，一組具有不同三維磁化曲線的結(jié)構(gòu)，在磁場的作用下可以轉(zhuǎn)換成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

另外，研究團隊設(shè)計了一個三維磁化的“火柴人”結(jié)構(gòu)?？梢钥吹?，不管是它的身體、肩膀、手臂還是頭部，在磁場的驅(qū)動下，“火柴人”經(jīng)歷著復(fù)雜的三維形變。

研究團隊也通過磁化設(shè)計了一種可重編程的自適應(yīng)軟夾。

不僅如此，科學(xué)家們還利用磁場分布轉(zhuǎn)移制作出了智慧女神雅典娜的頭像。

總的來說，這一策略實現(xiàn)了 38 微米級別的高通量磁編程（速度高達 10 個復(fù)刻樣品/分鐘），也為開發(fā)多尺度、再編程的軟體機器人提供了豐富的設(shè)計空間和大規(guī)模的制造潛力。

引用來源：

https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/38/eabc6414.full.pdf

動圖截自：

https://www.bilibili.com/video/BV13J411E7Jo?from=search&seid=15234739728215685113

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