IF50.5｜实时原位磁化重编程实现软机器人多形态变形

通过动态重排内部磁性单元，软机器人在同一磁场下实时切换多种形态，突破传统磁驱动局限。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

磁驱动软机器人因其形状可编程、可重构、安全交互和生物相容性，在生物医学和工业领域具有广阔前景。其变形依赖于外部磁场与机器人内部固有磁化分布的相互作用。然而，在实际应用中，机器人往往需要执行多种任务或功能，这就要求磁化分布能够在现场实时重编程。现有研究虽探索了重编程技术，但均未能实现实时原位磁化重编程。自然界中向日葵通过重新分布内部生长素来适应太阳位置变化，受此启发，本文提出一种通过重新分布内部磁性单元来实现变形的实时原位磁化重编程方法。

科学问题

卡在哪里： 现有磁驱动软机器人难以在应用现场实时改变其磁化分布，导致无法在同一磁场下执行多种变形或功能。已有的重编程技术要么需要离线操作，要么无法实现实时原位调整，限制了机器人的多功能性和适应性。

本文要回答： 本文旨在提出一种通用的实时原位磁化重编程方法，通过动态调整磁性单元的相对位置来改变机器人的磁化分布，从而在同一磁场下实现多样化的变形，并展示其在多个场景中的应用潜力。

技术路线

作者主要用了：嵌套管/内置杆、磁性单元重排、伪刚体建模、有限元仿真、VSM磁化。

作者受向日葵重新分布生长素的启发，提出通过动态操控磁性单元载体（如嵌套管或内置杆）来改变磁性单元的相对位置，从而实时重编程软机器人的磁化分布。首先在1D管状机器人上验证了该方法，通过调整内外管相对位移实现不同磁化分布，产生多种变形。随后扩展到2D片状和3D盒状结构，展示了空间维度的扩展。实验结合理论建模（伪刚体法）和有限元仿真，系统分析了变形行为，并进一步在四个应用场景中验证了方法的实用性。

图 1　Fig. 1。图1展示了实时原位磁化重编程的基本原理和在不同维度结构中的应用。a部分显示在均匀磁场下，通过重编程实现从1D管到2D片再到3D盒的多种变形，包括直线到螺旋、弯曲方向反转等。b部分以嵌套管为例说明1D重编程，通过调整内外管相对位移改变磁化分布，产生不同弯曲曲率和角度。c部分展示2D片状机器人通过内置杆移动实现变形。该图直观呈现了方法的通用性和变形多样性。

核心亮点

亮点 1｜磁性中和与磁性反转实现选择性激活与变形方向切换

在1D管状机器人中，作者发现两种关键特性：磁性中和与磁性反转。当两个磁矩大小相同、方向相反的磁性单元轴向对齐时，整体磁化相互抵消，管子对外不显磁性，在磁场中几乎不变形；将两者分离则恢复磁化并产生变形。利用这一特性，管子可在同一磁场下从直线变为螺旋。磁性反转则通过叠加一个-2m的磁性单元到m单元上，使目标单元磁化方向反转，从而在不改变磁场的情况下使管子弯曲方向从左变右。这两种特性为选择性操控多个机器人和复杂变形提供了新手段。

图 2　Fig. 2。图2聚焦无接触导航应用。a部分展示医疗场景中器械需绕过障碍物或血管导航的示意图。b部分对比了现有方法和本文方法：现有方法中弯曲随管子移动而移动，无法无接触绕过；本文方法通过固定弯曲位置或形成两个弯曲段实现无接触导航。c-e部分展示了在简化障碍物模型中的实验过程，软管成功绕过障碍物到达目标。f部分显示在血管分支模型中软管无接触进出三个分支。h部分展示3D场景中的无接触导航。该图验证了方法在复杂环境中的可行性。

亮点 2｜无接触导航绕过障碍物

在微创手术场景中，传统方法下软管在均匀磁场中移动时弯曲位置随之移动，无法无接触绕过障碍物。作者利用1D磁化重编程的配置C，通过内置杆上多个磁性单元的设计，实现了弯曲位置固定或形成两个弯曲段，从而在复杂障碍物间无接触导航。实验在简化模型、血管分支模型和离体猪心中均验证了可行性，软管仅与目标底部接触而不触碰侧壁。此外，还展示了在3D场景中的无接触导航，并提出了分段设计、多磁场控制等方法以应对长距离、多弯曲等挑战。

图 3　Fig. 3。图3展示可重编程纤毛阵列的三种调制方式。a部分显示单个纤毛的激活与失活。b部分展示靶向激活，通过控制磁性单元使阵列中特定纤毛激活，形成不同图案。c部分结合靶向激活和相位调制实现更复杂驱动模式。d-e部分展示弯曲幅度调制，同一旋转磁场下纤毛产生不同运动轨迹，幅度变化用不同深浅圆圈表示。f-g部分展示相位调制，通过磁性反转使纤毛相位相反，实现流体驱动方向改变。该图全面展示了纤毛阵列的灵活操控能力。

亮点 3｜可重编程纤毛阵列实现靶向激活、幅度与相位调制

利用1D磁化重编程的配置A和B，作者实现了纤毛阵列的三种重编程方式：靶向激活、弯曲幅度调制和相位调制。靶向激活通过控制磁性单元的有无，使单个纤毛或阵列中特定纤毛在磁场中激活或失活，形成任意图案，并演示了沿U形路径的潜在物质运输。幅度调制通过改变内外管相对位移，使同一旋转磁场下纤毛产生五种不同运动轨迹。相位调制利用磁性反转特性，使纤毛相位反转，在2×4阵列中实现了流体驱动方向的实时改变（从向左变为向左下）。这些能力为复杂流体操控提供了新思路。

图 4　Fig. 4。图4展示同一磁场下多器械协同独立操控。a部分为多器械协同医疗场景示意图。b部分显示两个软管A和B在同一均匀磁场下分别实现不同形状，互不干扰。c部分量化了操作过程中两管的曲率半径和末端弯曲角度变化。d-e部分展示一个实验场景：一个器械清除障碍后另一个器械到达目标。该图证明了磁性中和特性在多器械独立控制中的关键作用。

亮点 4｜同一磁场下多器械协同独立操控

在需要多器械协同的医疗场景中，传统磁驱动难以在同一磁场下独立控制多个目标。作者利用磁性中和特性，使器械可选择性地响应外部磁场。通过调整内外管相对位移，两个软管（A和B）在同一均匀磁场下分别实现任意变形，互不干扰。实验展示了三个典型场景：两个器械依次到达同一目标、三个器械到达两个目标、以及一个器械清除障碍后另一个器械到达目标。整个过程仅需单一方向的均匀磁场，避免了复杂磁场发生系统。此外，结合配置G可实现单轴恒定磁场下的3D变形，进一步扩展了应用范围。

图 5　Fig. 5。图5展示形状自适应软抓手。a部分显示手形抓手在35 mT均匀磁场下实现多种弯曲模式，五个手指可独立或组合弯曲。b部分展示两个抓手并排放置，成功抓取T形、F形和n形三种不同形状的物体。每个子图包含两个视频快照和状态示意图。该图验证了实时原位磁化重编程在软体抓取中的实用性，为工业应用提供了可能。

亮点 5｜形状自适应软抓手抓取不同形状物体

基于2D磁化重编程的配置B，作者开发了一种手形软抓手，五个手指可在同一磁场下独立或组合地向前或向后弯曲。通过改变每个手指内磁性单元的位置，抓手在35 mT均匀磁场下实现多种弯曲模式。两个抓手并排放置，成功抓取了T形、F形和n形三种不同形状的物体，展示了形状自适应能力。该应用证明了实时原位磁化重编程在软体抓取中的有效性，为工业抓取和微操作提供了新方案。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 嵌套管/内置杆、磁性单元重排、伪刚体建模、有限元仿真、VSM磁化
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事软机器人、磁驱动、微创手术器械或智能材料研究的科研人员和工程师。

带走一句

实时原位磁化重编程通过动态重排磁性单元，打破了软机器人对复杂磁场系统的依赖，为多任务、多器械协同操作提供了新范式。