仿生是眾多領域的共同追求，但仿生的程度是無止境的。劍魚是海洋中游泳效率最高的魚類之一，受其運動模式啟發，本文將多材料3D打印技術與仿生結構設計相結合，制備了一種無線仿生劍魚柔性機器人。該機器人具有流線型外形和可編程磁化運動能力，能夠模仿箭魚的運動模式。通過磁場控制新月型尾鰭的擺動，仿生魚可以靈活地直線游泳、快速轉彎、或按照Z字軌跡前進，未來可應用于環境監測和靶向藥物釋放等領域。
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隨著微型機器人技術的不斷發展，如何提高其在復雜環境中的運動能力和靈活性成為研究的熱點。雖然現在也有不同程度的仿生，但受限于制造技術的局限，柔性機器人通常由二維薄片或者一維線狀等簡單結構組成，導致其運動模式離仿生對象較遠，進而缺乏靈活性和效率。多材料、多尺度、多功能3D打印技術允許將不同的功能材料在三維尺度上靈活疊放，最終成型功能器件，這為仿生機器人的設計和制造提供了無限可能。本研究團隊受到自然界中劍魚的啟發，設計了一種毫米級的微型機器人。這種機器人通過磁力驅動和編程，能夠模擬劍魚的游動模式，包括直線游動和轉彎游動。
圖 1. （a）磁響應仿劍魚機器人組成結構的爆炸圖；（b）劍魚機器人尾鰭磁性粒子的分布；（c）劍魚機器人尾鰭磁致變形的示意圖。
如圖1所示，仿生魚機器人由流線型身體、腹部（左腹和右腹）、胸鰭和尾鰭組成。其中身體和腹部是由室溫硫化型（RTV）硅橡膠3D打印而成的中空立體結構。左腹和右腹形成了倒立水滴狀空腔，類似于生物魚內部的魚鰾結構，有助于減輕體重。胸鰭是輕質聚丙烯薄膜制成的矩形平板結構用來保持平衡，尾鰭是由釹鐵硼（NdFeB）磁性顆粒/RTV橡膠復合材料打印的彎月狀結構。為了實現尾鰭驅動（BCF）的游動模式，仿劍魚機器人的尾鰭被設計為磁性梯度分布過渡區，即從中間的身體部位往尾鰭的方向其磁性物質的比重逐漸提高。對尾鰭進行磁化編程之后，即可通過磁場對其施加作用力，機器人不僅可以依靠尾鰭的擺動產生反作用力來向前推進，還可以調控尾鰭的不對稱擺動來操控其運動方向（圖2）。機器人尾部的彎月形設計，可以提高推進效率，使其在不同的流體環境中都能保持穩定的運動性能。
圖 2. （a）劍魚機器人的直線游泳；（b）劍魚機器人的左轉游泳；（c）劍魚機器人的右轉游泳。
該研究不僅在微型機器人設計與制造上取得了新的進展，也展示了其在生物醫學、環境監測和水下探測等領域的應用潛力。如圖3所示，在醫療領域，這種微型機器人可以被用于精準的藥物輸送、微創手術以及疾病檢測等方面。此外，得益于其出色的流體動力學性能，這款機器人還具備在水下環境中執行任務的潛力，包括環境溫度或有害物質檢測等。
圖 3. 劍魚微型機器人的潛在應用展示。（a） 將熱致變色材料裝入機器人內部，用于環境監測。（i）機器人在室溫（25 °C）下變紅，（ii）機器人在高溫（32 °C）下變白。（b）劍魚機器人在 25 °C 的水中游泳，呈現紅色。（c）劍魚機器人在 32 °C 的水中游泳，呈現白色。（d）劍魚機器人內部封裝的模擬藥物示意圖，用于靶向藥物釋放。（e）劍魚機器人釋放藥物的過程。
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這篇論文為微型機器人技術的發展提供了新的思路，其通過機器人設計與多材料3D打印技術相結合，使得機器人能夠更加逼真地模仿自然界生物的運動方式，成功地提升了機器人在復雜環境中的適應能力和執行效率。隨著這項技術的進一步發展，未來微型機器人將在更多領域發揮關鍵作用，為其多方面應用提供更多可能性。
https://doi.org/10.1002/aisy.202400206
