中山大学郭双壮 Advanced Intelligent Systems：3D打印仿生箭鱼微型机器人

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文献速读

仿生是众多领域的共同追求，但仿生的程度是无止境的。剑鱼是海洋中游泳效率最高的鱼类之一，受其运动模式启发，本文将多材料3D打印技术与仿生结构设计相结合，制备了一种无线仿生剑鱼柔性机器人。该机器人具有流线型外形和可编程磁化运动能力，能够模仿箭鱼的运动模式。通过磁场控制新月型尾鳍的摆动，仿生鱼可以灵活地直线游泳、快速转弯、或按照Z字轨迹前进，未来可应用于环境监测和靶向药物释放等领域。

正文导读

随着微型机器人技术的不断发展，如何提高其在复杂环境中的运动能力和灵活性成为研究的热点。虽然现在也有不同程度的仿生，但受限于制造技术的局限，柔性机器人通常由二维薄片或者一维线状等简单结构组成，导致其运动模式离仿生对象较远，进而缺乏灵活性和效率。多材料、多尺度、多功能3D打印技术允许将不同的功能材料在三维尺度上灵活叠放，最终成型功能器件，这为仿生机器人的设计和制造提供了无限可能。本研究团队受到自然界中剑鱼的启发，设计了一种毫米级的微型机器人。这种机器人通过磁力驱动和编程，能够模拟剑鱼的游动模式，包括直线游动和转弯游动。

图 1. （a）磁响应仿剑鱼机器人组成结构的爆炸图；（b）剑鱼机器人尾鳍磁性粒子的分布；（c）剑鱼机器人尾鳍磁致变形的示意图。

如图1所示，仿生鱼机器人由流线型身体、腹部（左腹和右腹）、胸鳍和尾鳍组成。其中身体和腹部是由室温硫化型（RTV）硅橡胶3D打印而成的中空立体结构。左腹和右腹形成了倒立水滴状空腔，类似于生物鱼内部的鱼鳔结构，有助于减轻体重。胸鳍是轻质聚丙烯薄膜制成的矩形平板结构用来保持平衡，尾鳍是由钕铁硼（NdFeB）磁性颗粒/RTV橡胶复合材料打印的弯月状结构。为了实现尾鳍驱动（BCF）的游动模式，仿剑鱼机器人的尾鳍被设计为磁性梯度分布过渡区，即从中间的身体部位往尾鳍的方向其磁性物质的比重逐渐提高。对尾鳍进行磁化编程之后，即可通过磁场对其施加作用力，机器人不仅可以依靠尾鳍的摆动产生反作用力来向前推进，还可以调控尾鳍的不对称摆动来操控其运动方向（图2）。机器人尾部的弯月形设计，可以提高推进效率，使其在不同的流体环境中都能保持稳定的运动性能。

图 2. （a）剑鱼机器人的直线游泳；（b）剑鱼机器人的左转游泳；（c）剑鱼机器人的右转游泳。

该研究不仅在微型机器人设计与制造上取得了新的进展，也展示了其在生物医学、环境监测和水下探测等领域的应用潜力。如图3所示，在医疗领域，这种微型机器人可以被用于精准的药物输送、微创手术以及疾病检测等方面。此外，得益于其出色的流体动力学性能，这款机器人还具备在水下环境中执行任务的潜力，包括环境温度或有害物质检测等。 

图 3. 剑鱼微型机器人的潜在应用展示。（a） 将热致变色材料装入机器人内部，用于环境监测。（i）机器人在室温（25 °C）下变红，（ii）机器人在高温（32 °C）下变白。（b）剑鱼机器人在 25 °C 的水中游泳，呈现红色。（c）剑鱼机器人在 32 °C 的水中游泳，呈现白色。（d）剑鱼机器人内部封装的模拟药物示意图，用于靶向药物释放。（e）剑鱼机器人释放药物的过程。

这篇论文为微型机器人技术的发展提供了新的思路，其通过机器人设计与多材料3D打印技术相结合，使得机器人能够更加逼真地模仿自然界生物的运动方式，成功地提升了机器人在复杂环境中的适应能力和执行效率。随着这项技术的进一步发展，未来微型机器人将在更多领域发挥关键作用，为其多方面应用提供更多可能性。

期刊简介

Wiley旗下智能系统领域开放获取旗舰刊。期刊收录关于具有刺激或指令响应智能的人造装置系统的研究，包括机器人、自动化、人工智能、机器学习、人机交互、智能传感和程序化自组装等前沿应用。Advanced Intelligent Systems最新的期刊引文指标1.11，期刊影响因子6.8，在计算机科学，人工智能和自动化与控制系统中分类皆为Q1。(源自Clarivate 2023)

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