操控+感知双功能！清华深研院AM：推出亚毫米级无缆磁致驱动器

在微创诊疗、靶向递送及体内环境感知等应用中，无约束式磁控微型执行器与机器人能够通过外部磁场获得远程、非接触式驱动力，因此具备进入传统医疗器械难以触及的狭窄区域并开展精细操作的潜力。随着应用场景逐渐由规则实验环境向复杂生理环境延伸，如何在微小尺度下兼顾运动稳定性、功能扩展能力以及操控方式的简洁性，成为该领域亟待解决的问题。现有刚性微型执行器具有几何结构稳定、运动模型相对清晰、易于精准控制等特点，但功能拓展空间通常受到结构限制；相比之下，软体执行器具有良好的可变形能力与环境适应性，却往往伴随着自由度增加、承载能力不足以及控制策略复杂等问题。

近日，清华大学深圳国际研究生院生物制造工程实验室弥胜利教授团队针对上述问题开展了系列研究，分别从功能模块化设计和结构关节化设计两个方向探索无约束磁驱执行器的构建与操控方法。在亚毫米尺度磁驱执行器研究中，团队发展了一种基于过盈配合的模块化装配方案。该研究以“Submillimeter‑Scale Untethered Magnetic Actuators Enabling on‑Demand Manipulation and In Situ Viscosity Sensing”为题，发表于国际知名期刊《AdvancedMaterials》上。

研究人员借助摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（microArch®S230，精度：2 μm）制备高精度三维微结构，用于形成执行器主体、功能结构及装配接口；同时，将嵌入钕铁硼颗粒的磁性像素作为独立的磁响应单元，为不同执行器提供按需磁驱动力。针对微尺度装配稳定性问题，团队在结构内壁设计单向固定特征，并综合利用过盈配合、机械互锁与界面摩擦增强连接可靠性，使多种亚毫米尺度结构能够实现快速而稳定的模块化组装。

图1. 亚毫米无约束磁驱执行器的模块化构建、结构设计与功能示意。

这一方法的关键特点，在于将复杂微结构的成形过程与磁功能的赋予过程相互分离。研究人员可首先通过高分辨率光固化3D打印获得具有复杂几何形貌和一定刚度的微结构，再将完成磁化的磁性像素装配至指定位置。由此，可在一定程度上避免磁性颗粒直接参与光固化复合打印时可能产生的光散射、颗粒沉降等问题。依托这一组装思路，团队进一步设计了螺旋型、滚刀型、狼牙棒型以及面向旋转黏度感知的多种执行器结构，使磁驱微型执行器可以根据不同任务需求配置相应几何形态和功能模块，而不再局限于单一结构形式（图1）。

图2. 磁驱执行器的增强扩散、定向运输与原位黏度感知。

在此基础上，研究团队对执行器在不同黏度介质中的运动响应进行了系统研究。实验覆盖1–975 cP的模型液体。结果表明，当外部磁场强度达到能够维持稳定运动的条件后，执行器运动速度与驱动频率之间呈近似线性关系；与此同时，速度—频率曲线的变化斜率与液体黏度表现出稳定的反向对应关系。该规律意味着，执行器的运动状态不仅可以反映其自身动力学行为，还能够进一步作为表征周围流体物性的信号。

基于这一特征，在低至中等黏度区间，可利用执行器的运动响应对液体黏度进行较为准确的估计；当环境黏度进一步升高后，其运动信息则更适用于黏度变化趋势判断和区间识别。针对高黏度介质中定量测量能力下降的问题，团队进一步参考传统旋转黏度计的工作原理，设计了专用旋转式微型执行器，并在约500–4200 cP范围内实现液体黏度的原位测量。由此形成了两类具有互补性的感知方式：一类基于执行器运动学响应完成“运动感知”，另一类通过专门的旋转结构开展“旋转测量”（图2）。

除环境感知外，研究人员还进一步评估了执行器在复杂条件下的运动与操作性能。实验结果显示，在不同黏度环境中，执行器的最大爬坡角均超过45°，最高可达到55°；同时，其能够在狭窄通道中按照预设路线完成多种轨迹导航。在功能实验中，通过程序化控制执行器往复运动，可加快模型溶液中染料的扩散过程，并进一步完成物质的定向输运。具有滚刀和狼牙棒形貌的仿生结构则能够依靠持续旋转对软质模型障碍物实施机械破碎，并在离体商业血栓模型实验中表现出持续接触及局部结构破坏能力。

进一步地，团队将刚性与软体结构的优势进行组合，以狼牙棒式刚性执行器作为类似“手指”的操作单元，并以章鱼状软磁弹性结构作为类似“手掌”的承载基底，构成一种刚柔协同的磁驱抓取器（图3）。该复合抓取器的最大负载能力可达到自身重量的5.6倍，并能够在外部磁场操控下连续完成目标定位、抓取、运输、释放及回收等操作。

图3. “刚柔并济”型复合磁驱抓取器的货物递送应用展示。

通过上述研究，亚毫米无约束磁驱执行器的功能由基础运动进一步扩展至环境感知和按需操作。围绕不同任务需求，研究团队将黏度感知、定向运输、机械破碎以及货物抓取等能力分别赋予不同功能构型，为在有限尺度下实现功能可重构和任务可拓展提供了新的实现路径。特别是当微型执行器能够同时承担环境信息获取和物理操作任务后，其角色有望由单纯的远程“运动单元”进一步转变为兼具感知与执行能力的微型功能平台，并为未来在受限腔体和复杂生物流体中发展“感知—决策—操作”一体化系统提供新的设计基础。

目前，上述研究中的主要功能仍以可控体外环境下的概念验证为主。若进一步面向器官尺度环境及潜在临床应用，还需要在实时医学成像和机器人追踪定位、磁场闭环操控、器械递送与回收、生物相容性以及组织安全性等方面开展更加系统的研究，同时还需在更接近真实生理环境的模型中验证其长期运行与操作可靠性。

https://doi.org/10.1002/adma.202516790

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