近期，劉清坤副教授與美國康奈爾大學團隊合作，提出了一個全新的概念——微型變形超構機器人（Metabot）。
他們基於超材料構築了一款尺寸小於 1 毫米的“微型變形金剛”，不僅可用微電子控制、可重構任意形狀，還能夠讓它進行可控的定向行走。
“微型機器人尺寸非常小，通常其只能進行腿部的區域性運動，而我們的微型變形機器人能夠在大範圍內任意改變身體的形狀。”劉清坤錶示。
圖丨劉清坤和超構機器人模型（來源：劉清坤）
這款微型機器人採用了基於剪紙結構的設計，並結合了電化學驅動的微型執行器。它由多達上百個基本單元組成，包括約 100 個二氧化矽面板和 200 多個活動鉸鏈組成，而鉸鏈的厚度僅為 10 奈米。
透過電化學驅動方法，這些鉸鏈能夠在短短 100 毫秒內帶動微機器人實現區域性擴充套件和收縮，最大可達 40% 的面積變化。並且，它還能夠根據啟用的鉸鏈不同，改變形狀並執行多種運動模式。
影片丨微型變形機器人做可控定向運動（來源：Nature Materials）
微型機器人的設計靈感來源於自然界中能夠大範圍變形的生物，如細胞或變形蟲。
由於基元眾多，雖然靈活性高，但這也使得其在可控性操作方面變得非常困難。如何平衡機器人的靈活性和剛性，是研究人員面臨的挑戰之一。
基於此，他們透過精確電可定址的驅動方式，嘗試讓這些基元能夠精確地實現目標形狀，並且一旦變形就能按照設計的模式穩定、有序地保持在某個形狀，而不是隨意變形。
需要了解的是，這種微型機器人由力學超材料製備而成，它的獨特之處表現在，當材料在某個方向被拉伸至膨脹時，與之垂直的方向也會隨之膨脹。
這種叫做“拉脹”的材料具有負的泊松比，這與自然界材料在被拉伸時垂直方向會收縮的特性截然不同。
圖丨基於剪紙結構設計的微型變形機器人（來源：Nature Materials）
研究人員利用超材料的這種特性來開發可變形的微型機器人，因而將這種機器人命名為“超材料機器人”（Metasheet Robot），簡稱“Metabot”。“這不僅是新名稱，也代表了一個設計微型機器人的新概念。”劉清坤說。
這種基於超材料製備的微型機器人，展現出了更高的靈活性和魯棒性。其結構由眾多的基元組成，這與傳統機器人的設計具有本質的區別。
傳統機器人通常只有一個主體和兩條腿，一旦腿部受損就可能導致行走功能喪失，而微型變形機器人即便部分基元受損，也能夠保持正常的運作能力。
在結構設計上，研究人員嘗試了多種形狀後發現，六邊形結構在變形範圍和自由度上表現最佳。
與四邊形結構相比，六邊形結構不僅形變範圍更大，而且自由度適中，既不會過於僵硬，也不會因過於柔軟而變得難以控制。
“正是這種結構的獨特性，使得這款微型變形機器人在變形和移動效能上具有顯著優勢。”劉清坤說。
圖丨微型超構機器人變形成多種三維形狀（來源：Nature Materials）
日前，相關論文以《電子可配置的微觀超材料片機器人》（Electronically configurable microscopic metasheet robots）為題發表在 Nature Materials[1]。
上海交通大學副教授劉清坤和康奈爾大學王偉博士是共同第一作者，康奈爾大學伊泰·科恩（Itai Cohen）教授擔任通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Nature Materials）
這種微型機器人具有尺寸極小和強大的變形能力的優勢，因而在生物醫學、環境監測和微流控技術等領域具有廣泛的應用前景。
例如，在微型機器人表面的面板上安裝帶有醫學標誌物的感測器或微控制器，以能透過人體腔道等複雜、狹窄的環境。
目前，該微型機器人還處於研究初期階段，面板上的功能尚未完全開發。
下一步，該課題組計劃進一步提升其效能，並在面板上搭載更豐富的功能，如感測器、藥物載體、微控制晶片等元件，以實現無線控制，並透過處理器間的通訊實現分散式控制。
與此同時，研究人員正在考慮將這種微型機器人整合到內窺鏡末端，以便透過微創手術的方式將其送入體內進行檢測和治療。
劉清坤指出，這種微型機器人不僅能夠釋放藥物，還甚至可能因其強大的變形能力，進行精細的操作動作。“這需要我們研發更強大的驅動器，以確保機器人有足夠的力量來抓取和移除病變組織，類似於柔性機器人或柔性機械手的功能。”
此外，在微型機器人表面還可安裝電極，利用電刺激的方式來治療病變部位，這將進一步增強其在微創醫療領域的應用潛力。
參考資料：
1.Liu, Q., Wang, W., Sinhmar, H. et al. Electronically configurable microscopic metasheet robots. Nature Materials (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02007-7
排版：劉雅坤
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