Small-scale soft-bodied robot with multimodal locomotion
Untethered small-scale (from several millimetres down to a few micrometres in all dimensions) robots that can non-invasively access confined, enclosed spaces may enable applications in microfactories such as the construction of tissue scaffolds by robotic assembly1, in bioengineering such as single-cell manipulation and biosensing2, and in healthcare3–6 such as targeted drug delivery4 and minimally invasive surgery3,5. Existing small-scale robots of these small-scale robots, soft robots have greater potential to realize high mobility via multimodal locomotion, because such machines have higher degrees of freedom than their rigid counterparts14–16. Here we demonstrate magneto-elastic soft millimetre-scale robots that can swim inside and on the surface of liquids, climb liquid menisci, roll and walk on solid surfaces, jump over obstacles, and crawl within narrow tunnels. These robots can transit reversibly between different liquid and solid terrains, as well as switch between locomotive modes. They can additionally execute pick-and-place and cargo-release tasks. We also present theoretical models to explain how the robots move. Like the large-scale robots that can be used to study locomotion17, these soft small-scale robots could be used to study soft-bodied locomotion produced by small organisms.
Our robot is constructed of soft active materials, which can be magnetically actuated to generate desired time-varying shapes16 (see Supplementary Information section S1). Although our robotic system includes both an untethered soft device and the electromagnets that remotely generate the actuating fields (see Supplementary Information section S2 and Supplementary Fig. 2), we refer to only the untethered soft device as a lsquo;robotrsquo;, for consistency with the literature3–5,16,18,19. Unlike previous robots constructed with similar materials7,16, our proposed robot design and actuation inputs can achieve multimodal locomotion, and we have concurrently accounted for the robotrsquo;s programmed soft-bodied deformation and rigid-body rotation char- acteristics in different terrains. The choice of magnetic actuation suits various applications because the actuating fields can easily and harm- lessly penetrate most biological and synthetic materials3,4. This work uses external (off-board) magnetic actuation only, but it should also be possible to create similar soft machines that use internal (on-board) soft actuation methods20 to produce similar time-varying shapes and rotation.
The magneto-elastic, rectangular-sheet-shaped, soft robot is made of silicone elastomer (Ecoflex 00-10) embedded with hard magnetic neodymium-iron-boron (NdFeB) microparticles that have an average diameter of 5 mu;m. The surfaces of the robot are hydrophobic, and they can potentially be made biocompatible21 (Supplementary Information section S1C). By following the magnetization process described in Supplementary Information section S1A, the robot can be programmed to have a single-wavelength harmonic magnetization profile m along its body (Fig. 1a and Supplementary Fig. 1). After m is programmed,
represents the x–y plane components of B, that is, Bxy = [Bx, By] . The interaction between Bxy and m produces spatially varying magnetic torques that deform the robot, and hence controlling Bxy allows us to generate the desired time-varying shapes for the robot. As the deformed robot possesses an effective magnetic moment Mnet (Fig. 1b), which tends to align with B, we can control Bz to rotate the robot about its y axis, steering it along a desired direction (see Supplementary Information section S3B(II)).
Depending on the magnitude of Bxy—that is, Bxy—the robot exhibits different shape-changing mechanisms (Fig. 1b and Supplementary Information section S3A-B). When Bxy is small (for example, lt; 5 mT) and Bxy is aligned along the two principal directions shown in Fig. 1b (II and III), the prescribed m produces a sine or a cosine shape for the robot. Because the robotrsquo;s deformation is small in such condi- tions, orienting Bxy away from the principal directions generates a weighted superposition of the two basic configurations. Thus, we can create a travelling wave along the robotrsquo;s body by using a rotating Bxy that has a small constant magnitude. As the robotrsquo;s Mnet is always parallel to the applied Bxy in small-deflection conditions, the robot does not experience any rigid-body magnetic torque and consequent rotation about its z axis (Supplementary Information section S3B(I)). Conversely, when Bxy 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
具有多模式运动的小型软体机器人
无约束的小尺寸（从几毫米到几微米的所有尺寸）机器人可以无创地进入密闭空间，可以应用于微型工厂，如通过机器人装配构建组织支架，生物工程，如单细胞操作和生物传感，在医疗保健领域，如靶向药物输送和微创手术。然而，现有的小型机器人的机动性非常有限，因为它们无法在非结构化环境中通过障碍物以及纹理或材料的变化。在这些小型机器人中，软机器人具有比刚性机器人更高的自由度，因此软机器人通过多模态运动实现高机动性的潜力更大。在这里，我们展示了磁弹性软毫米级机器人，它们可以在液体内部和表面上游泳，爬液体半月板，在固体表面上滚动和行走，跳过障碍，在狭窄的隧道中爬行。这些机器人可以在不同的液体和固体地形之间可逆地移动，也可以在机车模式之间切换。它们还可以执行拾取-放置和货物释放任务。
我们的机器人由软活性材料制成，可以通过磁力驱动产生所需的时变形状（见补充信息S1节）。尽管我们的机器人系统包括无约束软设备和远程产生驱动场的电磁铁（参见补充信息节S2和补充图2），但为了与文献一致，我们仅将无约束软设备称为“机器人”。 与以往采用类似材料制造的机器人不同，我们提出的机器人设计和驱动输入可以实现多模态运动，并且我们同时考虑了机器人在不同地形下的程序化柔体变形和刚体旋转特性。磁驱动的选择适合于各种应用，因为驱动场可以轻松且无害地穿透大多数生物和合成材料。这项工作只使用外部（非车载）磁驱动，但也应该有可能创建类似的软机器，使用内部（车载）软驱动方法，以产生类似的时变形状和旋转。
这个矩形薄板形的磁弹性软机器人是由嵌有平均直径为5mu;m的硬磁性钕铁硼(NdFeB)微粒的硅弹性体(Ecoflex 00-10)制成的。机器人的表面是疏水的，并且它们可能具有生物相容性（补充信息部分S1C）。通过遵循补充信息部分S1A中描述的磁化过程，可以对机器人进行编程，使其具有沿着其身体的单波长谐波磁化剖面m（图1a和补充图1）。在m编程后，机器人可以在时变磁场B的作用下产生不同的运动模式。除非另有规定，否则B在空间上是均匀的，因此不施加磁力来平移机器人（补充信息部分S15）。然而，均匀B可以控制机器人的形态并引导它向所需的方向移动。为了描述B的影响，我们用表示机器人的身体框架（图1a），其中Bxy表示B的x–y平面分量，即。Bxy和m之间的相互作用产生空间变化的磁力矩，使机器人变形，因此控制Bxy使我们能够为机器人生成所需的时变形状。由于变形机器人具有一个有效磁矩Mnet（图1b），该磁矩趋向于与B对齐，因此我们可以控制Bz围绕其y轴旋转机器人，使其沿着所需方向转动（参见补充信息部分S3B（II））。
根据Bxy的大小，即Bxy，机器人表现出不同的形状改变机制（图1b和补充信息部分S3A-B）。当Bxy很小（例如lt;5mt）并且Bxy沿着图1b（II和III）所示的两个主方向对齐时，规定的m为机器人产生正弦或余弦形状。因为在这种情况下机器人的变形很小，所以使Bxy远离主方向会产生两种基本构型的加权叠加。相反，当Bxy具有高量级（例如，Bxy=20 mT）并且沿着图1b（IV和V）中所示的主轴对齐时，机器人经历大挠度形状变化，变形为“C”或“V”形。但是，如果Bxy的方向不沿该主轴，变形机器人生成一个大的Mnet，该Mnet通常不平行于应用场，这使得机器人围绕其z轴旋转，直到其助记器与Bxy对齐（图1c和补充信息部分S3B（I））。在该旋转结束时，机器人将采用其“C”或“V”形配置，因为这些配置中生成的Mnet与应用的Bxy自然对齐。利用这个机构，我们可以控制机器人绕z轴的角位移，以实现滚动、行走和跳跃等运动方式。
图1 |磁弹性软机器人的设计、变形机构和刚体转动，矩形片状磁性软机器人的尺寸和磁化剖面m。该剖面可以描述为mx和my元件沿机器人长度L、宽度w和厚度h的单波长谐波函数。beta;R是确定主方向的以m为单位的相移（补充信息部分S3A）。b、 磁变形微型机器人的理论预测（补充信息部分S3A）和实验形状。alpha;是从x轴开始的顺时针角，用于描述Bxy的方向。在（I）中，机器人在空Bxy下处于静止状态。脱模过程中产生的预应力会产生较小的残余曲率。（二） 以及（III）在小幅度Bxy（Bxy=5 mT）下显示小变形形状沿x–y平面上的两个主方向（正弦形状的alpha;=225°，余弦形状的alpha;=315°）。相比之下，当一个较大的震级Bxy（Bxy=20 mT）时，机器人会变形为“C”形（IV）或“V”形（V）沿主轴对齐（alpha;分别为135°和315°）。脱模过程中产生的诱导预应力可能会导致预测形状和实际形状之间的偏差，特别是对于（II）和（V）。每个形状的机器人理论Mnet如右图所示。c、 “c”形机器人的顺时针旋转是由旋转Bxy引起的。比例尺，1 mm。
通过使用转向和形状改变机制，我们在图2和图3中展示了我们的机器人的所有运动模式。当完全浸入水中时，机器人可以向上游动并越过重力（图2a，补充视频1和补充信息部分S10）。沿主轴方向具有时变幅度的周期性B允许机器人的形状交替，在“C”形和“V”形之间，形成类似水母游泳的步态。雷诺数在74到190之间的惯性效应允许这种时间对称但速度不对称的游泳步态产生流体漩涡，推动机器人到水面（图3c，补充视频1和补充图37）。一旦出现，软机器人通过将其疏水表面暴露在空气中，有力地固定在水-空气界面上。
受甲虫幼虫通过在液-气界面上执行准静态工作来克服无摩擦障碍的启发，软体动物可以通过变形成“C”形爬上水弯月面，以增强其液体浮力，而无需额外的能量消耗（图2b，补充视频2和补充信息部分S7）。当弯月面爬升并与相邻的固体平台接触时，缓慢旋转的B将使“C”形机器人绕其z轴旋转。其表面的疏水性允许机器人通过这种旋转从水面剥离（图2c，补充视频2和补充信息部分S11B）。与弯月面攀爬不同的是，机器人还可以通过向下弯曲、旋转和翻转的快速顺序从水-空气界面分离，从而潜入液体中（图2d和补充信息部分S11A）。
在自然界中，软体毛毛虫利用滚动运动来逃离它们的掠食者，因为这是一种高效快速的方法来横扫坚实的地形。像毛毛虫一样，我们的机器人也能在坚硬的基底上定向滚动，或从固体潜入液体表面（图2e和3a）。该运动由高幅度旋转B（例如B=18.5 mT）实现，其允许机器人以其“C”形配置滚动（补充视频3和补充信息部分S5）。然而，卷曲的机器人不能滚动穿过比其直径更宽但比机器人长度更窄的基板间隙；这些间隙可以通过步行来代替。
步行是在非结构化表面上移动的一种特别稳健的方式，并提供步幅和频率的精确调谐（图2f，补充视频3和补充信息部分S6）。受尺蠖行走步态的启发，利用周期性的B来调整机器人的倾斜角度和曲率，使机器人能够向所需的方向行走。在每一个行走周期中，机器人首先固定在前端向前倾斜，这样就可以将后端向前拉。然后，机器人在其后端锚定向后倾斜，并扩展其前端，以实现一个单一的周期积极的步伐。
当行走机器人被狭窄的开口阻挡时，它可以模仿另一个履带运动，并使用起伏的步态爬行通过障碍物（图2g，补充视频4和补充信息部分S9）。爬行由旋转的B编码，产生一个纵向行波，推动机器人沿着波的方向前进。类似的控制序列还使机器人能够产生起伏的步态，以便在液体表面上高效地游泳26（图3a和补充视频6）。然而，与爬行相反，波动的游泳方向与行波方向相反。尽管以前的机器人具有多波长、谐波磁化剖面，也显示出波动的游泳运动7，但此类机器人还不能创造实现多模态运动所需的关键“C”和“V”形状。
与线虫一样，软机器人可以通过在刚性表面上施加脉冲冲击，跳过太高或太费时翻滚或行走的障碍物（图2h，补充视频5和补充信息部分S4）。B控制序列提示机器人的刚体旋转（指定跳跃方向）和弹性变形，以在撞击基板之前使其自由端的动量最大化。B的序列在机器人的局部y–z平面中指定，其中By用于诱导形状改变机制，而机器人的刚体旋转由By和Bz两者诱导。
为了说明机器人在非结构化环境中导航的潜力（补充信息部分S13），我们证明了机器人可以使用一系列运动模式来充分探索混合液-固环境（图3和补充视频6）和外科人体胃模型（图4a，补充视频）7和补充信息部分S14A）。朝着体内超声引导手术的方向发展，我们还表明，当机器人在离体鸡肌肉组织的隐蔽区域内滚动时，可以通过超声医学成像设备对其进行可视化（图4b，补充视频8，补充信息部分14b和补充图44）。软机器人还可以完成诸如抓住物体并将其运输到目标位置（图4c和补充视频9）以及弹出捆绑在机器人上的货
物（图4d、补充视频10和补充信息部分S14C）的功能任务。
图2 |软机器人的运动和过渡模式。a中游泳运动的子面板以水平顺序显示，以显示它们之间的相对垂直位移。其他类型运动的子面板按垂直顺序排列，以显示它们之间的相对水平位移。每个移动模式的输入（B）序列在补充信息部分S4–S11中详细说明。每个子面板中相应的时间戳和B分别显示在右下角和左上角。a、 水母喜欢用时间对称但速度不对称的步态在水中游泳。b、 水弯月面上升。当机器人由于浮力而变形和上升时，逆时针方向的磁力矩逐渐适应机器人的姿势。c、 着陆，即从水面到固体地面的过渡。A顺时针旋转B将机器人从水面上剥下，让它站在平台上。d、 浸没，即通过卷曲和刚体旋转的组合从表面过渡到水池的主体。e、 通过顺时针方向旋转高强度的B来滚动。f、 走路。机器人倾斜并改变其曲率，以在每个周期中创建一个净跨步。g、 在横截面为0.645mmtimes;2.55 mm的管状通道内爬行，使用沿机器人身体的波动行波。h、 定向跳跃。机器人利用自身的刚体运动和形状变化产生跳跃动量。本图中使用了多个机器人，但所有这些机器人的设计都相同。比例尺，1 mm。
图3 |液-固混合环境中的多模式运动。a、 这个柔软的机器人从一个坚固的平台上翻滚并潜入水中
邻近的水池，它沿着弯月面漂走。起伏的机器人然后向右游动。b、 c，机器人旋转，脱离水面，下沉，然后从水池底部游上来，在水-空气界面再次出现。d、 机器人爬上一个弯月面，降落在坚固的平台上，跳过一个站立的障碍物，然后走开。e、 机器人朝一个管状通道（直径1.62毫米）走去，这阻碍了它的行走步态。然后机器人切换到爬行模式穿越隧道，最后离开。由于工作空间的限制（补充信息部分S2A），在四个单独的视频中依次捕获运动模式。本图仅使用一个机器人。比例尺，1 mm。
图4 |医疗应用。a、 软机器人使用多种运动模式在合成胃模型上导航（补充视频7）。b、 超声引导移动：机器人（用红色虚线标出）在离体鸡组织的隐蔽区域内滚动，如超声成像所示（补充视频8和补充信息部分S14B）。c、 机器人通过在平坦的刚性表面上行走接近货物（尼龙，1 mmtimes;0.8 mmtimes;1.5 mm），卷曲成“c”形捡起货物，通过滚动并保持其“c”形配置运走货物，并通过在新位置解开卷曲释放货物（补充视频9）。d、 动态和选择性货物放行（补充视频10）。一张纸组织（0.5 mmtimes;0.5 mmtimes;0.1 mm，用作模型药物容器）通过一个额外的附件绑定到机器人上（补充信息部分S14C）。在预弯曲机器人后，B迅速反转，打开附件并释放货物（白色虚线方块突出显示的货物）。比例尺，1 mm。
除了磁场感应转矩外，基于磁场梯度的拉力也可用于提高运动性能（例如，速度和跳跃高度）。沿着这个方向，我们展示了通过添加基于磁梯度的拉力可以增加跳跃高度（补充视频5），并且我们将在未来探索其他类似的可能性。然而，仅使用基于梯度的牵引可能是有害的，因为这种驱动方法的动力学本质上是不稳定的。从实用的观点来看，基于梯度的牵引方法也比通过基于磁场的转矩推进的运动的能量效率低（补充信息部分S15）。
由于缺乏板上驱动方法，该机器人无法在大型开放空间中工作，因此不适用于环境探测和监测等户外应用。此外，当前脱模过程在磁弹性材料中产生预应力，该预应力在处于静止状态时在机器人中诱导小的残余曲率（图1b中的形状I和补充信息部分S1D）。尽管预应力不会阻碍机器人实现多种运动模式，并且可以通过改进制造来降低，它在预测的机器人形状（图1b中的形状II和V）中引起小误差，并且部分地影响步行和波动游泳速度的实验数据的模型匹配（补充信息部分S6和S8）。
为了更好地理解小型软体机器人的运动，我们设计了理论模型，对机器人的尺寸（L、w和h，如图1a所示）如何影响跳跃、滚动、行走、半月板攀爬和波动游泳运动模式进行比例分析（补充信息节S4-S8）。爬行和水母式游泳运动的理论模型很难推导，因此我们使用补充信息部分S9-S10
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