研究背景：

磁驱动软体机器人兼具磁场高穿透安全性、无缆驱动、柔性接触与毫秒级响应等优势，可无创进入消化道及血管等光学受限深部腔道，弥补传统内窥镜柔性不足、通达受限的短板，在靶向给药、微创手术等前沿方向具有颠覆性潜力。磁驱动软体机器人仍面临两个重要挑战：其一，大多数机器人的磁化模式在制备后即被固定，只能按预设方式运动，缺乏根据环境变化重构运动模式与功能的能力，发展磁畴动态重编程新方法已成为突破驱动能力固化的关键；其二，现有研究主要聚焦于驱动本身，驱动与感知的功能分离使得磁驱动软体机器人无法实时获取与环境交互的信息，限制了其在真实医疗场景中的应用效果。

文章概述：

针对上述难题，江苏大学徐琳教授课题组和深圳大学王奔副教授提出了基于光热重编程技术的驱动-感知一体化多模态磁驱动软体机器人。通过定制化设计的PEG/SmFeN复合磁微球，团队实现了磁畴结构的可逆重写，使同一机器人在制造完成后能够多次切换运动模式。同时，借助微电子打印技术，研究团队将液态金属阿基米德螺旋电容传感器直接集成于机器人本体，构建了驱动-感知一体化系统。该系统不仅能实时区分机器人在模拟胃环境中的爬行与翻滚步态，还能识别不同接触材料与地形起伏，并在重复性循环实验中保持信号稳定。

图文导读：

图1.驱动-感知一体化多模态磁驱动软体机器人示意图

光热-磁畴重编程机制：实现运动功能重构

该研究的核心创新在于新颖的光热-磁畴重编程机制（图2），团队通过定制化设计PEG/SmFeN复合磁微球，在近红外光照射下SmFeN颗粒高效光热转换产生局域热量，使PEG基质发生固-液相变，原本被锁定的SmFeN颗粒获得旋转自由度，可在弱外加磁场作用下重新定向；停止照射后PEG迅速固化，新的磁畴构型被永久锁定在基体中。这一过程不仅支持全局重编程，也能实现空间选择性磁畴调控。

图2.光热^.磁畴重编程机制

多模式可重构运动与形态：同一结构、多样行为

通过选择性光磁编程，同一个机器人结构可以实现截然不同的行为模式：条状机器人可在滚动与爬行之间切换（图3）；花形机器人可在不同闭合绽放模式之间可逆转变；而蜻蜓形机器人能分别控制翅膀与尾部的摆动；手掌形机器人可实现1-6种手势变换，展示了光热重编程技术赋予软体机器人的强大功能可重构性。

图3.重编程前后的运动/形变模式及对应磁畴分布对比

仿生多足设计与胃环境运动验证

在胃模型上，磁驱动软体机器人通过协同调控近红外加热与外部磁场，可选择性激活爬行与翻滚运动模式。锥状多足结构（仿蚕腹足）通过增强界面粘附与方向性摩擦，再结合磁畴调控产生的结构形变，使机器人在复杂的胃部环境（黏液、皱襞）中实现了可控运动。（图4）。

图4.可重编程磁驱动软机器人的应用

驱动-感知一体化：液态金属电容传感器

研究团队设计了基于阿基米德螺旋结构的液态金属电容传感器，并尝试将其集成于磁驱动软体机器人本体（图5），探索利用电容变化感知外界接触与自身运动状态。实验表明（图6），该传感器对接触状态敏感，能够基于电容信号特征区分不同接触材料，识别平坦与崎岖地形，以及判别机器人在爬行与翻滚时的步态特征，并具有良好的信号稳定性。

图5. 磁驱动软体机器人的驱动和传感模块

图6. 不同条件下的电容传感性能

总结与展望：

这项研究通过光热重编程技术，使磁驱动软体机器人的功能不再被固定的磁化模式所束缚；通过驱动-感知一体化设计，机器人有望获得感知外界环境与自身状态的能力。结合低热损伤的相变体系设计与优异的循环稳定性，该技术在靶向给药、消化道介入等生物医学领域展现出广阔的应用前景。研究团队表示，下一步将重点实现基于传感信号的实时闭环控制，并将无线无源传感器集成于软体机器人本体，同时提升材料生物可降解性，加速推动这一智能系统向临床转化。

该论文通讯作者为徐琳教授，第一作者为研究生杨柳，共同第一作者包括董玉廖、李康宁、荆铖，深圳大学王奔副教授为合作作者，江苏大学机械工程学院为论文第一完成单位。该研究获得国家自然科学基金（52275290、52475308）、吉林大学仿生工程重点实验室开放项目（KF2023006）及上海市柔性医疗机器人重点实验室项目（SKLFMR-101）的支持。

论文信息：

A Multimodal Magnetically Driven Soft Robot with Integrated Actuation-Sensing Based on Photothermal Reprogramming Technology

Liu Yang, Yuliao Dong, Kangning Li, Cheng Jing, Ben Wang, Lin Xu*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.75817

原文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.75817

期刊介绍：

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