在微創診療、靶向遞送及體內環境感知等應用中，無約束式磁控微型執行器與機器人能夠通過外部磁場獲得遠程、非接觸式驅動力，因此具備進入傳統醫療器械難以觸及的狹窄區域并開展精細操作的潛力。隨著應用場景逐漸由規則實驗環境向復雜生理環境延伸，如何在微小尺度下兼顧運動穩定性、功能擴展能力以及操控方式的簡潔性，成為該領域亟待解決的問題。現有剛性微型執行器具有幾何結構穩定、運動模型相對清晰、易于精準控制等特點，但功能拓展空間通常受到結構限制；相比之下，軟體執行器具有良好的可變形能力與環境適應性，卻往往伴隨著自由度增加、承載能力不足以及控制策略復雜等問題。
近日，清華大學深圳國際研究生院生物制造工程實驗室彌勝利教授團隊針對上述問題開展了系列研究，分別從功能模塊化設計和結構關節化設計兩個方向探索無約束磁驅執行器的構建與操控方法。在亞毫米尺度磁驅執行器研究中，團隊發展了一種基于過盈配合的模塊化裝配方案。該研究以“Submillimeter?Scale Untethered Magnetic Actuators Enabling on?Demand Manipulation and In Situ Viscosity Sensing”為題，發表于國際知名期刊《Advanced Materials》上。
研究人員借助摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（microArch? S230，精度：2 μm）制備高精度三維微結構，用于形成執行器主體、功能結構及裝配接口；同時，將嵌入釹鐵硼顆粒的磁性像素作為獨立的磁響應單元，為不同執行器提供按需磁驅動力。針對微尺度裝配穩定性問題，團隊在結構內壁設計單向固定特征，并綜合利用過盈配合、機械互鎖與界面摩擦增強連接可靠性，使多種亞毫米尺度結構能夠實現快速而穩定的模塊化組裝。
圖1. 亞毫米無約束磁驅執行器的模塊化構建、結構設計與功能示意。
這一方法的關鍵特點，在于將復雜微結構的成形過程與磁功能的賦予過程相互分離。研究人員可首先通過高分辨率光固化3D打印獲得具有復雜幾何形貌和一定剛度的微結構，再將完成磁化的磁性像素裝配至指定位置。由此，可在一定程度上避免磁性顆粒直接參與光固化復合打印時可能產生的光散射、顆粒沉降等問題。依托這一組裝思路，團隊進一步設計了螺旋型、滾刀型、狼牙棒型以及面向旋轉黏度感知的多種執行器結構，使磁驅微型執行器可以根據不同任務需求配置相應幾何形態和功能模塊，而不再局限于單一結構形式（圖1）。
在此基礎上，研究團隊對執行器在不同黏度介質中的運動響應進行了系統研究。實驗覆蓋1–975 cP的模型液體。結果表明，當外部磁場強度達到能夠維持穩定運動的條件后，執行器運動速度與驅動頻率之間呈近似線性關系；與此同時，速度—頻率曲線的變化斜率與液體黏度表現出穩定的反向對應關系。該規律意味著，執行器的運動狀態不僅可以反映其自身動力學行為，還能夠進一步作為表征周圍流體物性的信號。
基于這一特征，在低至中等黏度區間，可利用執行器的運動響應對液體黏度進行較為準確的估計；當環境黏度進一步升高后，其運動信息則更適用于黏度變化趨勢判斷和區間識別。針對高黏度介質中定量測量能力下降的問題，團隊進一步參考傳統旋轉黏度計的工作原理，設計了專用旋轉式微型執行器，并在約500–4200 cP范圍內實現液體黏度的原位測量。由此形成了兩類具有互補性的感知方式：一類基于執行器運動學響應完成“運動感知”，另一類通過專門的旋轉結構開展“旋轉測量”。
除環境感知外，研究人員還進一步評估了執行器在復雜條件下的運動與操作性能。實驗結果顯示，在不同黏度環境中，執行器的最大爬坡角均超過45°，最高可達到55°；同時，其能夠在狹窄通道中按照預設路線完成多種軌跡導航。在功能實驗中，通過程序化控制執行器往復運動，可加快模型溶液中染料的擴散過程，并進一步完成物質的定向輸運。具有滾刀和狼牙棒形貌的仿生結構則能夠依靠持續旋轉對軟質模型障礙物實施機械破碎，并在離體商業血栓模型實驗中表現出持續接觸及局部結構破壞能力。
進一步地，團隊將剛性與軟體結構的優勢進行組合，以狼牙棒式剛性執行器作為類似“手指”的操作單元，并以章魚狀軟磁彈性結構作為類似“手掌”的承載基底，構成一種剛柔協同的磁驅抓取器。該復合抓取器的最大負載能力可達到自身重量的5.6倍，并能夠在外部磁場操控下連續完成目標定位、抓取、運輸、釋放及回收等操作。
通過上述研究，亞毫米無約束磁驅執行器的功能由基礎運動進一步擴展至環境感知和按需操作。圍繞不同任務需求，研究團隊將黏度感知、定向運輸、機械破碎以及貨物抓取等能力分別賦予不同功能構型，為在有限尺度下實現功能可重構和任務可拓展提供了新的實現路徑。特別是當微型執行器能夠同時承擔環境信息獲取和物理操作任務后，其角色有望由單純的遠程“運動單元”進一步轉變為兼具感知與執行能力的微型功能平臺，并為未來在受限腔體和復雜生物流體中發展“感知—決策—操作”一體化系統提供新的設計基礎。
目前，上述研究中的主要功能仍以可控體外環境下的概念驗證為主。若進一步面向器官尺度環境及潛在臨床應用，還需要在實時醫學成像和機器人追蹤定位、磁場閉環操控、器械遞送與回收、生物相容性以及組織安全性等方面開展更加系統的研究，同時還需在更接近真實生理環境的模型中驗證其長期運行與操作可靠性。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202516790
