俞江帆教授团队在Advanced Science发表论文，提出一种多栖磁性软体机器人

2023-04-27 新闻动态中心动态

近日，AIRS 微纳机器人中心主任俞江帆教授团队在 Wiley 旗下顶级期刊 Advanced Science 上发表题为“Amphibious miniature soft jumping robot with on-demand in-flight maneuver”的文章。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202207493

期刊介绍

Advanced Science 是 Wiley 旗下的跨学科期刊，涵盖材料科学，物理和化学，医学和生命科学以及工程学的基础和应用研究。Advanced Science 最新影响因子为17.521，JCR 分区 Q1。

研究背景

小尺度软体机器人由于其尺度优势和柔顺性，可以作为医疗机器人无创地进入人体器官和组织执行手术或者递送药物。由于磁场可以无损地穿透人体，并可精确调控，磁场操纵的磁性软体机器人在医疗机器人中有很大的应用潜力。目前，研究人员已经开发出可以实现多模态多环境运动的磁性软体机器人，但是操纵性更强、更加敏捷的两栖磁性软体机器人的实现仍存在挑战，此类机器人可以应用于胃肠道的药物递送，进一步扩展软体机器人的应用场景。此外，实现液面上的可控跳跃可以进一步拓展两栖机器人的运动空间和任务多样性。

研究方法

作者提出了一种基于磁性弹性体的微型软体机器人（图1A）。通过在表面修饰超疏水的二氧化硅纳米颗粒实现超疏水表面的构建，从而赋予软体机器人在水面上运动的能力。该软体机器人独特的磁化方式使其可以对外部磁场做出快速响应，从而实现水面上的跳跃（图2）。在跳跃过程中，软体机器人先受到预备磁场的作用，通过弹性形变伏在水面，同时储存一定的弹性势能，随后在驱动磁场的作用下快速制动，向下拍打水面，使液面变形，并借助水的表面张力完成起跳（图1E）。在这一过程中，预先储存的弹性势能和外部磁场相互配合，保证该软体机器人在加速过程中始终保持较高的能量输入，使机器人获得足够的动能脱离水面（图1G）。为了研究该软体机器人的水面跳跃行为，作者构建了跳跃过程的动力学模型，该模型可以准确预测软体机器人水面跳跃的高度随驱动磁场强度的变化，基于该动力学模型，作者优化了该软体机器人的控制策略。通过调节驱动磁场的角度，作者同时实现了软体机器人跳跃轨迹的控制（图3），并建立了机器人定向跳跃的运动学模型。基于本文提出的动力学模型和运动学模型，该软体机器人的水面跳跃行为可以被精确预测和控制。

图1 磁性软体机器人水面跳跃

图2 磁性软体机器人水面跳跃

图3 磁性软体机器人定向跳跃

借助于本文提出的运动学模型和动力学模型以及可时序编程的磁场，作者拓展了该软体机器人水面运动模态的多样性和复杂性。通过精确编程的外部磁场，实现了软体机器人运动轨迹和姿态的同步控制，并展示了机器人在复杂环境中的可控运动（图4、图5）。通过规划轨迹和运动姿态控制，该机器人可以在跳跃过程中实现穿越狭窄通道，翻越障碍物等复杂任务（图6）。

图4 磁性软体机器人的轨迹控制和姿态控制

图5 磁性软体机器人的姿态控制

图6 磁性软体机器人的轨迹控制和姿态控制

此外，作者还探究了机器人的多模态运动，针对不同的运动场景设计了不同的步态和驱动策略（图7）。该机器人可以实现在水中和水面上的定向游动，以及在陆地上的走动。在搭载功能化模块后，该软体机器人可以用于执行一些更复杂的任务，如抓取和转运货物，穿刺软体组织和探索未知环境（图8）。

图7 磁性软体机器人的多模态运动

图8 搭载功能模块的磁性软体机器人

研究结论

本文设计了一种可以在水面跳跃的两栖磁性软体机器人，并建立了该机器人的动力学模型和运动学模型。基于文中建立的模型，该机器人跳跃的运动轨迹和姿态可以得到精准的控制，并可以完成复杂的运动模态。基于时序编程的磁场，作者展示了该机器人在不同应用场景中的多模态运动。此外，作者设计了可搭载的功能模块，为基于该机器人的模块化设计提供了示范。

作者简介

本文通讯作者为 AIRS 微纳机器人中心主任、香港中文大学（深圳）助理教授俞江帆。

俞江帆教授是香港中文大学（深圳）助理教授、香港中文大学（深圳）校长青年学者、深圳市人工智能与机器人研究院（AIRS）微纳机器人中心主任。他入选了2021年国家海外高层次青年人才项目（海外），并担任中国微纳技术学会微纳米机器人分会理事。俞教授在2018年获得香港中文大学博士学位，先后在香港中文大学（2018-2019）和多伦多大学（2019-2020）作为博士后进行研究工作。

俞教授的研究主要集中在微纳米机器人和医疗机器人领域，包括其材料设计、基础理论建模、优化驱动控制、及对口生物医学应用。俞教授至今发表了超过50篇顶级期刊及会议文章，包括Science Advances、 Nature Communications、IJRR、T-Ro、T-Mech、和ACS Nano等。他的数篇期刊论文被ESI收录为高引用论文，并被Science、Nature、CNN等国际机构报导。俞教授获得了多个有影响力的奖项，包括吴文俊人工智能科技奖自然科学奖二等奖（2022）、百度全球华人AI青年学者（2022）、福布斯30 under 30（2021）、Nature Communications评选的物理学50强文章（2018）、T-Mech最佳论文奖入围（2019）、香港青年科学家入围奖（2018）等。

本文第一作者为香港中文大学（深圳）在读博士生王一斌。

王一斌，本科毕业于哈尔滨工业大学（威海），硕士毕业于卡内基梅隆大学，目前在香港中文大学（深圳）俞江帆教授团队攻读博士学位。主要研究方向为小尺度磁性软体机器人的结构设计、工作机理、驱动模式以及基于磁性软体机器人的生物医疗应用。

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