微型機器人領域再獲重要突破！近日，上海交通大學研究團隊成功開發出一種兩棲粘附磁驅微型機器人，能夠在空氣和水中自如切換，實現對多種類目標的多功能操控。該研究成果近期以"Magnetically Switchable Adhesive Millirobots for Universal Manipulation in both Air and Water"為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

論文第一作者為上交大自動化系在讀博士張志昂，通訊作者包括上交大馬卓晨副教授、韓冰副教授、王賀升教授，以及吉林大學張永來教授。這一跨校合作研究項目為非結構化空間中的精密操作提供了通用解決方案，為微型機器人操控技術的發展奠定了堅實基礎。

▍磁響應微粘附陣列：解決兩棲操控環境挑戰

無線驅動的磁性微型機器人因其實時響應和多模態運動等卓越特性，在復雜且非結構化環境中展現出巨大應用價值。然而，如何在各種目標與機器人之間建立普適且高效的交互方式，一直是該領域面臨的重大挑戰。

自然界中，一些寄生蟲可以通過特定的物理或化學相互作用與宿主產生交互，并借此操控宿主的行為。上交大研究團隊將這種"寄生操控"的概念巧妙引入機器人領域，通過精心設計，開發了雙折返微陣列（DMRA）結構。

這種創新結構能夠在目標與機器人之間形成可靠且可調節的粘附力，確保機器人能夠穩定地抓取、操作和釋放目標物體。更為關鍵的是，DRMA的表面引入了側面防水結構，這一設計有效防止了水下環境中粘附力的損失，使機器人能夠靈活應對干燥和水下兩種截然不同的操作環境。

圖1：兩棲粘附的微型機器人設計思路

傳統微型機器人在水下環境中常面臨粘附能力大幅下降的問題，嚴重限制了其應用場景。而上交大團隊開發的這種雙折返微陣列結構，通過巧妙模仿自然界生物的粘附機制，成功克服了這一技術難題，為兩棲環境中的精確操控提供了全新解決方案。

▍粘附界面集成：實現對任意目標的抓取與釋放

研究團隊將可切換粘附微陣列與機器人進行了無縫集成，使其能夠在干濕環境中高效、精確地拾取和釋放各種幾何形狀和材質的目標，展現出極強的通用性。

傳統的軟體機器人通常依賴"機械包裹"或"化學膠水"來實現目標操作。機械包裹法要求目標尺寸必須小于機器人本身，且無法應對大尺寸或形狀復雜的目標；而化學膠水法雖然適應性較強，但釋放效率較低且難以重復使用，嚴重限制了操作效率和靈活性。

相比之下，上交大團隊基于可切換粘附界面的策略具有顯著優勢。無論是塑料、金屬、玻璃還是有機材料等，不管形狀是否規則，這款機器人都能穩定抓取。除固體目標外，DRMA還可以實現對微量液滴的無損粘附與釋放，有效拓展了操作目標的類型和場景，極大提升了機器人的通用性。

圖2：粘附機器人可操控目標種類

▍多模態運動控制：助力復雜操作任務實現

除了卓越的粘附能力，研究團隊還開發了具備滾動、振動、交替邁步等多種運動模式的磁驅微型機器人。這些運動模式與可切換粘附功能相結合，使機器人能夠在兩棲環境中完成一系列高難度任務。

在實驗中，研究團隊成功展示了這款微型機器人的多樣化應用能力。在陸地環境下，它能夠在封閉空間內精確執行短路維修等精細操作；在水下環境中，它同樣表現出色，完成了微型渦輪機的組裝及高速驅動等復雜任務，為水下微型設備和系統的開發提供了重要技術支持。

圖3：封閉空間電路維修展示

圖4：磁驅動機器人精密裝配展示

圖5：水下微型渦輪受機器人粘附后高速驅動旋轉

這款機器人的突出優勢在于其適應性和可控性。強大而可切換的粘附能力使其能夠在開放和密閉空間中自如工作，并能承受振動等極端條件。通過外部磁場精確控制，它可以靈活裝載不同目標，實現高效操作。

與傳統系統相比，它在目標選擇方面更加靈活，釋放時間更短，操作精度更高，顯著拓展了微型機器人的應用前景。

考慮到其多模態運動和多目標適用性，研究人員預測，在不久的未來，這種可切換粘附機器人有望部署到活體生物表面，并實現人工的"寄生操控"，為生物醫學研究和臨床應用開辟新的途徑。

▍結語

磁驅微型機器人技術經過數十年的發展，功能化、集成化和輕量化始終是研究的重點方向。上交大團隊提出的兩棲粘附微型機器人在目標適應性、響應速度、操作精度和靈活性等方面都表現出顯著優勢，為非磁性物體的磁性操作提供了通用解決方案，為開發多功能集成的微型機器人提供了全新思路。

隨著技術的進一步完善，這種兩棲粘附磁驅微型機器人有望在微電子系統維護、微型醫療設備操作、微流體控制等多個領域展現廣闊的應用前景，推動微型機器人技術向更高水平發展。

論文信息:Magnetically Switchable Adhesive Millirobots for Universal Manipulation in both Air and Water.

論文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202420045