由于自然界中生命的演變，生物往往表現出對復雜環(huán)境的高度適應性，例如超快運動(dòng)、偽.裝和群體合作。生物運動(dòng)的研究對仿生機器人以及醫療設備構建等工程領(lǐng)域具有重要啟示作用?；诖?，人們致力于開(kāi)發(fā)新的仿真工具、物理模型和實(shí)驗平臺來(lái)模擬和研究這些自然運動(dòng)模式。然而，許多不同尺度的生物表現出非常復雜的運動(dòng)步態(tài)，例如多種基本運動(dòng)的耦合。這些步態(tài)難以用現有的軟體機器人平臺模擬，而且這些平臺通常缺乏解耦復雜生物行為的策略，使得理解生物運動(dòng)的機制具有挑戰性。 近日，香港中文大學(xué)張立教授課題組聯(lián)合北京計算科學(xué)研究中心丁陽(yáng)教授課題組以及美國卡耐基梅隆大學(xué)Carmel Majidi教授課題組提出一種磁性軟體機器人平臺用于重建和解耦復雜生物運動(dòng)。該磁性軟體機器人可以通過(guò)模板法或者3D打印工藝制造。該工作中使用了面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130, 摩方精密)打印一種節肢型的水凝膠磁性機器人，機器人身體由磁性段（由摻雜磁性顆粒的聚丙烯酰胺水凝膠制成）和非磁性段（由聚丙烯酰胺水凝膠制成）組成。機器人的尺寸為長(cháng)度5 mm、長(cháng)寬比11:1。采用時(shí)變磁場(chǎng)來(lái)誘導軟體機器人的敏捷運動(dòng)。通過(guò)該軟體機器人平臺以及可編程的磁場(chǎng)輸入，該研究團隊可以重建出搖蚊的幼蟲(chóng)所啟發(fā)的運動(dòng)步態(tài)并對這類(lèi)型的生物運動(dòng)步態(tài)進(jìn)行系統的解耦研究。相關(guān)研究成果以“Decoupling and reprogramming the wiggling motion of midge larvae using a soft robotic platform” 為題發(fā)表于期刊《Advanced Materials》。 

通過(guò)構建的磁性軟體機器人系統，該研究團隊揭示了機器人身體卷曲和旋轉的相互耦合在其推進(jìn)中起著(zhù)關(guān)鍵作用，以這種仿生推進(jìn)方式游動(dòng)可以誘導與自然生物一致的流場(chǎng)結構，并在中等雷諾數狀態(tài)下實(shí)現優(yōu)異的運動(dòng)性能。此外，磁性軟體機器人能夠在流動(dòng)的環(huán)境中逆流而行，通過(guò)切換其運動(dòng)模式來(lái)適應三維環(huán)境，以及實(shí)現其他功能，包括越障能力和在狹窄空間中的運動(dòng)能力。與通過(guò)磁場(chǎng)梯度直接將機器人驅動(dòng)到指.定位置的磁力控制策略相比，軟體機器人可以靈巧地控制其變形和運動(dòng)模式。 總結而言，這項工作提供了一個(gè)磁性軟體機器人平臺，使其能夠對無(wú)脊椎動(dòng)物的復雜運動(dòng)進(jìn)行解耦和重新編程，并掌握它們的基本機制。這也為設計具有復雜耦合步態(tài)的游動(dòng)軟機器人提供了新的思路。

圖1. 軟體機器人的磁場(chǎng)控制和運動(dòng)分析。（A）機器人的模板輔助磁化方式；（B）沿著(zhù)機器人中心線(xiàn)的磁通密度分布；（C）軟體機器人在不同靜態(tài)磁場(chǎng)下的變形和轉向；（D）用于控制軟體機器人的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)；（E）軟體機器人在一個(gè)周期內的運動(dòng)序列。
 

圖2. 軟體機器人的流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬和流場(chǎng)可視化分析。（A）在一個(gè)周期內軟體機器人的瞬時(shí)速度；（B）軟體機器人質(zhì)心軌跡的實(shí)驗和模擬結果；（C）在一個(gè)運動(dòng)周期內施加到機器人身體上的凈流體力；（D）流場(chǎng)結構的可視化。

圖3. 軟體機器人平臺用于解耦復雜生物運動(dòng)。（A）機器人身體卷曲和旋轉之間的相位差對運動(dòng)性能的影響；（B）機器人身體的轉動(dòng)角度對運動(dòng)性能的影響；（C）磁場(chǎng)強度對機器人運動(dòng)性能的影響；（D）磁場(chǎng)頻率f2/f1 對機器人運動(dòng)性能和前進(jìn)速度的影響；（E）磁場(chǎng)頻率feq對機器人運動(dòng)性能的影響。（F）機器人運動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向角的關(guān)系。

圖4. 軟體機器人的多模態(tài)運動(dòng)。（A）機器人沿著(zhù)五角星軌跡的可控運動(dòng)；（B）機器人在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的運動(dòng)；（C）機器人的三維游動(dòng)和避障行為；（D）機器人在狹窄空間內運動(dòng)；（E）機器人通過(guò)多種模式運動(dòng)探索三維空間。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202109126