具有自適應移動性的可變形磁流體微型機器人

磁活性流體或鐵流體在外部磁場作用下可以改變其形狀和粘度。它可以在較高濃度的磁性粒子中獲得高的磁驅動力。由于其*的性能，鐵流體在眾多領域有較為廣泛的應用。當鐵流體的載體液體和環境液體不相容時，前者因其高度的自聚性并不會在小體積中迅速分散。這一特性可以有效地防止磁性納米粒子擴散過快。同時，基于其流體特性，鐵流體具有較高的可變形性，并能通過狹窄的通道和障礙物。此外，鐵流體在磁場中也具有高輸出力。然而控制鐵流體機器人在三維空間的運動，并使用機器人進行藥物輸送仍有待研究。

近日，北京航空航天大學機械工程學院仿生與微納研究所馮林副教授等研發了一種四線圈梯度磁場控制系統，該系統可以實現磁流體微型機器人在三維空間中的運動控制。同時，使用面投影微立體光刻3D打印技術（nanoArch S140，摩方精密），研究團隊依據在藥物遞送的實際應用環境中可能出現的復雜環境進行設計并打印相關模型，并對磁流體微型機器人在藥物遞送相關領域的性質和優勢展開了進一步的研究。相關成果以“Deformable Ferrofluid Microrobot with Omnidirectional Self-adaptive Mobility"為題發表在《Journal of Applied Physics》期刊上。

圖一 由電磁線圈系統控制在血管模型中移動的鐵流體機器人的概念圖及系統圖。

經過數值模擬和實際測量，該系統產生的磁場梯度可以達到4.14T/m，并可以實現對磁流體機器人的三維控制，最大的控制誤差不超過0.3mm。最后，線圈系統控制鐵流體液滴在最大內徑為3毫米的三維血管模型中實現自主運動。控制效果的實現使得鐵流體機器人在通過血管導航進行藥物輸送方面具有技術潛力。

圖二 (a) 磁流體機器人運動的示意圖。(b)不同時刻的磁流體機器人的位置和狀態。比例尺：5毫米。（復雜環境尺寸特征：長38mm寬22mm高5mm，其中折線和曲線通道直徑為1.5mm，左下角圓柱陣列援助直徑0.5mm，間距0.5mm。）

通過對磁流體機器人的變形能力的研究，發現機器人可以通過比其直徑小四倍的縫隙（圖二）。同時 ，基于有限元模擬，磁流體機器人的變形可以使流場中的阻力減少43.75%，這使得磁流體機器人在人體血管高流速環境中運動成為可能。此外，利用3D打印的血管模型，對磁控系統控制微型機器人在三維血環境中運動能力進行了驗證（圖三）。

圖三  (a) 血管模型中磁流體運動的控制示意圖。(b)三維血管模型中不同時刻鐵流體機器人的真實位置和狀態。比例尺：5毫米。

該項研究成果獲得國家重點研發計劃(No. 2019YFB1309700)及北京新星科技計劃項目(No. Z191100001119003)支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0076653