MIT赵选贺《Nature》评述：纳米磁控微型软体机器人

　　变形金刚威猛，钢铁侠酷炫，这些英雄陪伴我们成长。但是这些存在于科幻电影中的机器人都是由刚性材料构建的，与人一般大小甚至比人类大出几个size。而尺寸远小于人体的，由软材料或具有柔性结构的材料构建的微型机器人在微观世界也扮演着英雄，与刚性机器人相比，它们能更安全地与人类互动。在众多的为这些机器人提供能量的方式中，磁场为人体有限空间内的无线操作提供了一种安全有效的方式。

　　11月6日，瑞士联邦理工学院的Cui Jizhai 、Huang Tian-Yun 及其同事在Nature发表了名为“Nanomagnetic encoding of shape-morphing micromachines”的文章。他们对单个区域的纳米磁体进行设计，将形状变化指令通过编程的方式输入微型机器人。对纳米磁体施加特殊的磁场序列后，实现微型机器人的形状变化。麻省理工的赵选贺在《Nature》上发表了题目为“Soft microbots programmed by nanomagnets”评述。

　　中国古代典籍《鬼谷子》与《韩非子》中首次报道了磁石是与地球磁场相一致的矿物质，并将其应用于早期的罗盘。过去的几年里，软体机器人也采用了类似的原理。外部磁场为机器人提供了一种快速移动或改变形状的方法。这种驱动机制在设计机器人的结构、磁化模式和强度，以及何时何地应用磁场来控制机器人方面具有很大的灵活性。此外，我们可以通过精确计算外部磁场作用于磁体上的力和力矩建立模型并定量描述所设计的机器人的运动。

　　磁性软体机器人已有多种应用，特别是在与人体密切相关的生物医学领域。如自折叠式“折纸”机器人可以在肠道中爬行、修补伤口、将吞下的物体取出来；胶囊状的机器人可以沿着胃的内表面滚动，进行活组织检查并运送药物。此外，科学家们还研制出了尺寸从几百微米到几厘米不等的更薄的线型机器人，它们有可能在大脑血管中穿行，以治疗中风或动脉瘤。

　　磁性软体机器人的进一步小型化可能带来新的应用，如在最小的血管中进行操作甚至操纵单个细胞，但制备这样的微型机器人并非易事。现有的制备方法包括磁性组分的直接组装、负载粒子的聚合物薄片的磁化以及含有定向磁性颗粒的柔性复合材料的打印等。Cui Jizhai 、Huang Tian-Yun 及其同事进一步推进了这项技术的边界，他们使用电子束光刻技术，制造出了只有几微米大小的可磁重组机器人，具体来说就是在柔性氮化硅(Si3N4)薄片基板上制备纳米级钴磁体阵列。暴露于外部磁场后，这种钴纳米磁性材料在仍能保持磁性，这种行为被称为迟滞，纳米磁铁的形状是造成迟滞的原因之一。通常来说薄的纳米磁体更难磁化，反过来，这意味着我们能够使用相对弱的磁场“改写”较厚磁铁的强度和磁化方向。

图1 由3×3阵列组装的微型机器人的四种不同变换形状

　　因此，Cui及其同事们选择性地调整纳米磁性材料的磁化强度，从而使驱动磁场(比最初磁化它们的磁场弱得多)能够使不同的薄片以不同的方式折叠。由此产生的薄片组合经过“编程”可以在驱动磁场中形变得到特定的结构(图2)。这些结构进一步可以组装成复杂的形状，比如字母，甚至可以用显微镜来观察组装得到的“鸟”的转身、拍动和滑翔等。

图2 按指令进行形状变化的磁性软体机器人

　　为了实现磁性软体机器人在各种长度尺度上的生物医学应用的全部潜力，还有许多工作要做。比如使用量化模型进行设计来优化他们在相对较弱的磁场中执行特定任务的能力。Cui等人使用的技术，将是实现的关键。

　　在不干扰磁驱动机制的条件下，机器人在人体深处的实时成像和定位也很有必要，尤其在狭小的空间内。人工智能的进一步发展，可协助图像分析和机器人控制。最后，一旦机器人完成了他们的任务，就需要被清除。降解具有无毒性或其他不良反应的优点，是未来的方向之一。

　　磁性软体机器人也被广泛应用于生物医学以外的领域，如柔性电子、可重构表面和主动超材料等。所有这些工作都为这一新型领域奠定基础。

　　文章链接：

　　https://www_nature.xilesou.top/articles/s41586-019-1713-2#Abs1

　　评述链接：

　　https://www.nature.com/articles/d41586-019-03363-0