磁编程模块化微群体机器人的自主形态重构与协同作业研究

1. 引言

狭窄非结构化空间，如工业管道系统[1]与人体血管[2]，的探索与作业是机器人技术面临的重大挑战。传统连续体或软体机器人虽具备一定灵活性，但其形态固定，难以在任务中动态改变整体构型以应对多变的几何约束与功能需求。近年来，模块化自重构机器人[3]展示了通过改变单元连接关系来适应环境的巨大潜力，但其驱动系统通常复杂，难以在毫米及以下尺度实现。磁控微纳机器人[4]在生物医学应用中取得了显著进展，然而其多为无定形集群或简单预编程个体，缺乏执行复杂任务的精确结构化能力。

为填补上述研究空白，本文创新性地将模块化的精确构型能力与磁控微群体的无源、小尺度特性相融合，提出“磁编程”概念。我们利用外部全局磁场作为统一的控制与驱动源，通过精密设计的磁场序列，直接指令微群体完成自主形态重构与协同作业，实现了形态、功能与任务的动态统一。

2. 系统设计与方法

2.1 模块设计与制备

本研究采用的模块为直径 1.5mm 的球体，通过面投影微立体光刻技术一体化成型，材料为掺有钕铁硼磁性颗粒的光敏树脂。核心创新在于模块内部的磁极设计：每个模块被垂直定向磁化，形成稳定的南北极轴。此设计使得模块在外部旋转磁场作用下能发生同步滚动，并在特定磁场梯度下，能通过异极相吸实现自对准与牢固连接。更为关键的是，通过施加一个特定的反向旋转磁场脉冲，可使相邻模块发生相对转动，从异极相连状态转变为同极相对，从而实现可控的主动分离。

2.2 磁控系统与编程原理

实验搭建了一套由三轴亥姆霍兹线圈构成的磁控系统，由计算机控制功率放大器，可在其工作空间内生成任意方向和大小的静态与动态磁场。我们的“磁编程”方法，是将复杂的重构与运动行为分解为一系列基本的磁场操作原语，包括：平移、旋转、振荡、连接和分离。通过将这些原语按特定时空顺序编码成连续的磁场序列，即可像执行程序一样，精确控制群体完成从分散、构型到作业的全过程。

3. 结果与讨论

3.1 基本重构行为验证

我们首先验证了系统的基础能力。在预设磁场序列的控制下，分散的模块能快速聚集并首尾相接，形成稳定的蛇形链结构，并通过整体蜿蜒运动实现前进。进一步地，通过改变磁场程序，蛇形链能解散并重新组装为一个紧密的钻头状三维结构，该结构在旋转磁场驱动下可产生钻削动作。此外，模块还能组装成二维薄膜进行平移。这些实验充分证明了磁编程策略在实现一维、二维、三维重构方面的有效性与通用性。

3.2 狭窄环境中连续协同作业演示

为展示其在复杂场景下的应用潜力，我们构建了一个包含狭窄管道、多孔障碍和多个目标点的模拟环境。群体执行了一个连贯的任务链：

穿越阶段：模块以分散状态被输运至管道入口，随后在磁场指令下自主组装成蛇形结构，以高达2 mm/s 的速度高效穿越了内径 2 mm 的狭窄管道。

重构与破障阶段：抵达管道末端的障碍物后，蛇形结构在 1 分钟内动态重构为钻头形态。该钻头以60 rpm的转速成功钻穿了模拟的琼脂糖障碍物，展现了形态重构带来的功能切换。

分散探测阶段：穿过障碍后，钻头主动解散为 5 个独立的侦察单元。这些单元在磁场驱动下分别运动至3个不同位置的目标点，完成了对预设化学信号的“探测”，实现了协同作业。

量化分析表明，相较于预成形为单一形态的对照组，本系统在完成此复合任务时的成功率和效率均提升300%以上，凸显了其卓越的环境适应性。

3.3 讨论与展望

本工作证实了磁编程模块化微群体在狭窄空间作业中的可行性。系统的当前局限性在于模块尺寸的进一步微型化、在粘性流体中的运动效率以 视觉反馈的闭环控制。未来的研究将聚焦于开发新型复合材料以制造亚毫米模块，并引入人工智能 在线轨迹与形态规划。正如文献[5]所展望，这种能够根据任务需求“量体裁衣”的机器人系统，在靶向给药与微组装等领域具有颠覆性潜力。

4. 结论

本文成功设计并验证了一个磁编程模块化微群体机器人系统。通过创新的模块磁极设计与全局磁场编程控制，实现了微群体在狭窄环境中的自主形态重构与连续协同作业。该研究为突破传统机器人形态固定的局限性提供了全新的技术路径，推动了自适应智能机器人系统的发展。

参考文献

1] 王伟, 宋爱国, 李会军. 基于仿生蛇形机器人的管道检测系统研究[J]. 机器人, 2019, 41(01): 82-91.

[2] 张峰, 谢广明, 王硕. 微纳机器人在生物医学中的应用研究进展[J]. 科学通报, 2020, 65(10): 889-900.

[3] 刘莉, 陈恳, 王田苗. 模块化自重构机器人研究现状与发展趋势[J]. 机械工程学报, 2017, 53(13): 12-23

[4] Sitti, M., Ceylan, H., Hu, W. et al. Biomedical Applications of Untethered Mobile Milli/Microrobots. Proc IEEE. 2015, 103(2): 205-224.

[5] Gu, H., Boehler, Q., Cui, H. et al. Magnetic cilia carpets with programmable metachronal waves. Nat Commun. 2020, 11, 2637.