能够满足各种复杂环境和多样化任务需求的软机器人，以其灵活性和适应性而闻名机器人行业。
而在众多软机器人技术中，使用磁驱动软机器的磁驱动软机器人因其不受物理束缚的精确操控能力而备受关注。
在软机器人技术的广阔天地里，使用磁驱动软机器的磁驱动软机器人，因其无拘无束的操控性和精准的执行能力而备受关注，成为研究与应用的焦点。
图1. 奥地利科学家研制的超快磁驱动小型软体机器人
磁驱动软机器内部的磁性粒子可以通过外部磁场的变化来调整其排列方式，从而实现模型形状与功能上的重新配置。这赋予了软机器人灵活的形态调整能力，使其能够在不同任务间自由切换，并适应各种复杂地形及狭小空间，极大地扩展了机器人应用场景范围。而由于磁性粒子对磁场变化的响应速度极快，磁驱动软机器人也拥有快速响应环境变化或突发事件的能力。
相较于依赖液压或气压驱动的同类机器人，磁驱动软机器人通过磁性粒子的磁场重排来实现形状变化，这一过程几乎无需复杂的机械运动，因此能耗极低，有效提高了能源利用效率。
更值得一提的是，磁驱动软机器还实现了对机器人的无线操控，无需物理接触即可精确指挥，这不仅极大地简化了操作流程，而且解除了对机器人结构的物理束缚，使其能够在更加广泛、甚至难以触及的环境中自由作业，进一步拓展了其应用潜力。
▍折痕辅助像素化设计，助力提升重构精度
然而，尽管磁驱动软机器展现出诸多显著优势，但由于缺乏合理的结构设计和相应的一体化制造技术，实现磁驱动软体机器的精确重构仍然是一项技术挑战。在实际应用场景中，这一精度缺失可能导致机器人动作失准，难以胜任复杂任务，甚至对周遭环境及操作人员构成潜在安全威胁。
传统的重构手段，如通过加热至居里温度进行再磁化，不仅耗时冗长，而且热扩散现象会扰乱重构区域的磁畴有序排列，影响重构效果。另一种结合磁性材料与相变材料的尝试，在冷却阶段亦面临难题：相邻区域的相变材料易发生相互干扰，进一步削弱了重构的精确度。
此外，软体机器人的变形能力与其刚度息息相关，而刚度又受制于材料颗粒的浓度。这一浓度参数直接关乎重构的精度与响应速度，如何在维持必要刚度的同时，提升重构的精准度，已成为当前亟待攻克的技术难题。因此，探索新的设计策略与制造工艺，以平衡材料性能与重构需求，对于推动磁驱动软机器人技术的发展至关重要。
为了克服上述问题，青岛理工大学兰红波教授&朱晓阳教授课题组，联合华南理工大学章圆方副教授、上海交通大学王东副教授提出了可重构磁驱动软体机器一体化制造新技术，实现磁驱动软体机器的精确重构，并拓展了磁驱动软体机器的应用场景。
图2. 设备、工艺和原理：(A) 使用的打印设备，集成了墨水直写工艺（DIW）和熔融沉积工艺（FDM）；(B) 具体的工艺流程：首先通过DIW打印基板和机器外框，然后通过FDM填充可重构磁性材料，最后通过DIW实现封装；(C) 重构的基本原理，通过加热实现材料的相变，在外部磁场的作用下实现磁性颗粒在机器中的转向，最后通过相变锁定磁性的方向；为验证重构的可行性制备的双像素机器。
研究团队创新性地引入了“像素化”设计理念，将磁驱动软体机器巧妙地分解为一系列离散的像素单元，并研发出一种融合墨水直写与熔融沉积3D打印的先进集成制造工艺，实现了对重构过程中每个像素单元的精准独立调控。
借鉴折纸艺术的灵感，团队选用弹性材料构建基板，并以折痕巧妙连接各像素单元，从而改善了机器人的弯曲性能。由于像素和折痕区域由不同材料制成，这一设计不仅巧妙地分离了像素与折痕区域的材料，还使得机器人弯曲部分的性能不再受限于像素区域材料的硬度，实现了性能与灵活性的双重提升。
该复合制造工艺不仅能确保机器分辨率，还能填充高浓度材料（见图2）。具体而言，墨水直写工艺被用于制备像素的基底、折痕及外框结构，而熔融沉积技术则负责在像素内部填充高比例的磁性致动材料（磁性颗粒质量占比高达80%），确保强大的磁驱动能力。
此外，团队还开发了一款多功能3D打印机，集成了直接墨水书写与熔融沉积建模两种工艺。这一创新设备能够同时完成像素基底、折痕、外框的精细制备，以及磁性材料的高效填充，完美融合了高精度重构与高浓度材料填充的双重需求，为磁驱动软体机器的精确控制与广泛应用开辟了全新路径。
目前，该研究的相关论文已以“Integrated 3D printing of reconfigurable soft machines with magnetically actuated crease-assisted pixelated structures”为题发表在Additive Manufacturing（DOI: 10.1016/j.addma.2024.104513）上。
▍实现精准操控与高效应用，引领软机器人发展新未来
为了验证折痕辅助像素化结构诱导弯曲性能的能力，研究团队进行了一系列弯曲实验。
实验结果表明，研究团队所研制的折痕辅助像素化可重构磁驱动软体机器具有出色的弯曲性能与重构精确度（见图3），并成功验证了其重构能力（见图4）。
图3. 性能测试：(A) 距离和深度的定义：距离是指从机器左端开始的水平测量值。深度指从封装表面向下延伸的折痕垂直测量值；(B) 剩余磁场强度分布；(C) 曲率半径与折痕深度之间的关系；(D) 机器在均匀磁场下不同折痕深度的弯曲行为仿真结果与实验结果的比较：(i) 深度=0.1 mm；(ii) 深度=0.3 mm；(iii) 深度=0.5 mm；(iv) 深度=0.7 mm；(E) 无像素化设计的机器；(F) 无折痕像素化设计的机器；(G) 既有像素化设计又有折痕设计的机器：(i) 结构示意图；(ii) 80℃时距离与温度的关系；15 mm距离处加热到100℃时时间与温度的关系；(iii) 80℃时右侧像素中心的温度；(iv) 100℃加热40秒15 mm距离处的温度。
图4. 16像素磁驱动软体机器的重构验证：(A) 16像素机器的实物图（初始状态下磁性颗粒的磁性是无序的）；(B) 构型1：沿中心线折叠；(C) 构型2：沿对角线折叠；(D) 构型3：铲子形态；(E) 构型4：拱桥形态；(F) 构型5：隧道形态；(G) 构型6：四角星形态：(i) 磁场分布；(ii) 实际驱动效果；(iii) 仿真结果。
为进一步彰显该设计理念下的磁驱动软体机器的应用潜力，研究团队模拟了自然界昆虫的运动模式（见图5），设计了一款典型的磁控开关（见图6），并构建了七种不同的基本逻辑电路（见图7）。
图5 运动效果演示：(A) 翻滚模式；(B) 爬行模式（比例尺：10 mm）
图6. 磁控开关的设计：(A) 机器的示意图；(B) 平行开关阵列的示意图；(C) 用于制备的设备；(D) 构型1：第一个LED点亮；(E) 构型2：第二个LED点亮；(F) 构型3：第三个LED点亮：(i) 磁场分布；(ii) 激活结果的模型；(iii) 磁驱动的实际效果。
图7. 逻辑电路设计：(A) 逻辑电路的爆炸视图；(B) 非（NOT）电路：(0)→1，(1)→0；(C) 与（AND）逻辑电路：(0,0)→0，(0,1)→0，(1,0)→0和(1,1)→1；(D) 或（OR）逻辑电路：(0,0)→0，(0,1)→1，(1,0)→1，(1,1)→1；(E) 或非（NOR）逻辑电路：(0,0)→1，(0,1)→0，(1,0)→0，(1,1)→0；(F) 与非（NAND）逻辑电路：(0,0)→1，(0,1)→1，(1,0)→1，(1,1)→0；(G) 异或（XOR）逻辑电路：(0,0)→0，(0,1)→1，(1,0)→1，(1,1)→0；(H) 同或（XNOR）逻辑电路：(0,0)→1，(0,1)→0，(1,0)→0，(1,1)→1。
与传统单一均质材料的可重构磁驱动软体机器相比，折痕辅助像素化设计在提升重构精度的同时，也显著优化了多项性能指标。
这一技术突破不仅攻克了高精度重构的技术难题，有力推动了可重构磁驱动软体机器性能的提升，更为软机器人技术的未来发展提供了崭新的材料与设计思路。折痕辅助像素化设计的引入，将显著提升磁驱动软体机器的重构精度，降低重构过程中的误差，从而提高整体工作效率与可靠性。
这种高精度的重构能力，使得磁驱动软体机器在软机器人、柔性电子设备、医疗器械等多个领域的应用前景更加广阔且深入。特别是在医疗手术领域，精确的重构能力能够确保手术的精细操作与患者的安全。
可以预见，这一技术革新将成为软机器人领域发展的强大驱动力，激发更多创新与应用的可能，引领行业迈向新的高度！