深圳國際研究生院曲鈞天團隊在海洋小型化磁控液滴機器人領域取得新進展
清華新聞網7月8日電 磁驅動微型軟體機器人具備可編程變形能力與多模態運動特性，能夠在復雜環境中靈活執行各類操作任務，展現出廣闊的應用前景。然而，現有基于彈性體材料的機器人變形能力有限，無法在高度受限空間（如遠小于機器人自身尺寸的狹窄縫隙）中自由導航，并且它們的功能受到預先設計形狀的限制，難以滿足動態環境中實時重構的需求。
磁流體液滴兼具良好的順磁性與液體的流動性，在外部磁場的調控下，能夠實現可編程重構、按需分裂與合并等行為，從而賦予機器人多樣化的操作功能。因此，構建面向磁流體液滴的可編程操控平臺，有望為海洋微流控、實驗室/器官芯片、生物醫學工程等領域提供一種全新的微尺度智能操作范式，拓展磁驅動軟體機器人在復雜環境中的應用邊界。
圖1.小型化機器人研究意義
近期，清華大學深圳國際研究生院副教授曲鈞天團隊圍繞磁流體液滴機器人在大規模、獨立與可編程操控方面的關鍵技術難題，成功開發出一套基于電磁線圈陣列的可編程操控平臺。通過靈活部署液滴機器人，該平臺在數字圖案顯示、信息編碼及流體操作等領域展現出廣泛的應用潛力。
團隊首先構建了一種高密度分布式電磁線圈陣列，用于在毫米尺度上實現液滴機器人大規模可編程操控。該平臺集成了144個小尺寸電磁線圈，能夠在113×113平方毫米的工作空間內生成多個局部磁場，從而實現多點獨立驅動。結合有限元仿真，團隊分析了單個線圈及其鐵芯所產生的復合磁場分布特性，并評估了磁力對液滴的驅動效果。平臺融合定制驅動電路、視覺反饋模塊與多線程軟件架構，實現了對磁場的高精度調控，確保機器人響應的實時性與準確性；低功耗驅動保障了系統長時間的穩定運行。
圖2.分布式磁場驅動系統概述
其次，團隊深入探究了液滴機器人在局部磁場作用下的運動規律與變形機理。通過調節相鄰線圈電流的方向與幅值，可以誘導液滴發生可逆分裂與合并。研究發現，當兩個線圈施加方向相反的電流時，可驅動液滴產生拉伸形變；進一步調節磁場強度比，可精確控制分裂后的液滴體積比。此外，研究還揭示了液滴尺寸、電壓強度與運動速度間的關系，為復雜操控提供了理論基礎。
圖3.液滴機器人運動和變形的機理與表征
為了實現多個液滴機器人的協同路徑跟蹤，團隊提出了一種基于視覺反饋的離散閉環控制策略。通過頂部相機獲取機器人的實時位置，結合預定義軌跡，逐步激活對應線圈驅動液滴機器人遍歷子目標點。控制流程引入任務調度邏輯：若兩個液滴機器人的路徑存在運動干擾，則采用步進驅動方式，確保各機器人獨立、安全運行。四個液滴機器人成功完成“SIGS”等復雜路徑跟蹤，誤差控制在1毫米以內，證明了所提策略的有效性。
最后，團隊展示了液滴機器人在復雜任務場景下的高效協同能力，包括自主排序、圖案重構、數字顯示、摩斯編碼和流體混合等功能。在排序任務中，結合“歸并排序”算法與磁陣列系統，實現多個液滴在有限步數內完成體積升序排列，整體效率較單個機器人操作提升三倍以上。在圖案重構方面，系統可以動態調整液滴陣列，快速切換不同字母或摩斯碼圖案，完成信息的可視化編碼。在流體混合實驗中，多個液滴機器人分別從不同通道泵入染料，并在混合區完成主動攪拌，展現出該平臺在數字微流控、反應調控與材料合成等領域的應用前景。
圖4.可編程重構示意圖
圖5.流體混合示意圖
相關研究成果以“用于大規模磁流體液滴機器人可編程控制的電磁線圈陣列系統”（Development of an Electromagnetic Coil ArraySystem for Large-Scale Ferrofluid Droplet Robots Programmable Control）為題，于6月30日發表于《IEEE機器人學匯刊》（IEEE Transactions on Robotics）。
論文通訊作者為曲鈞天，第一作者為清華大學深圳國際研究生院2024級博士生崔光明。其他合作者包括江南大學教授樊啟高和德國癌癥研究中心教授丘天。研究得到清華大學深圳國際研究生院海外科研合作基金的資助。
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