蝸牛可利用腹足肌肉收縮產生的收縮波提供動力，在所分泌的粘液表面實現推進。受此啟發，來自北京航空航天大學和土耳其科奇大學的研究團隊，成功讓一種毫米級軟體機器人也學會了這種粘附運動。該機器人利用磁驅預屈曲波動單元，實現了對近壁流體的泵送，進而實現在濕滑、褶皺、倒置的豬胃腸道組織表面的移動。

該機制化解了機器人附著與運動的矛盾，適配人體胃腸道、呼吸道等覆有粘液的器官環境，有望為下一代醫療微型機器人設計提供全新思路！

機器人大講堂獨家獲悉，美國東部時間5月29日（北京時間5月30 日），該研究以“Bioinspired Milliscale Near-Boundary Undulatory Motion for Fluid Transport and Adhesive Locomotion”為標題發表在國際權威期刊《Science Advances》上。該論文第一作者為北航機械工程及自動化學院碩士生劉世卿，碩士生鄭奕為共同第一作者。任子宇教授（項目主要負責人）、文力教授和 Metin Sitti 教授為論文共同通訊作者。北京航空航天大學為該研究的第一單位。該項目得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金等項目的支持。

01.

腹足綱生物機理啟發的流體輸運機制：

腹足類生物（如蝸牛和蛞蝓）能夠沿腹足傳播節律性的肌肉收縮，從而產生行波。這種能力使它們能夠實現一種巧妙的界面流體調控策略：當蠕動產生的行波作用于腹足和基底之間的粘液時，即可實現流體的定向輸運。受此啟發，蠕動泵被廣泛用于微流控系統中的流體泵送。然而，傳統的蠕動泵并沒有針對附著于開放表面的薄液層進行設計；此外，它們往往依賴體積較大的外部驅動源，因此在將蠕動泵送原理應用于毫米級機器人自主運動方面，仍存在技術空白。

為填補這一空白，本研究提出了一種腹足綱生物啟發、無線驅動的近壁流體輸運機制。該機制利用毫米尺度的磁驅預屈曲柔性薄片產生可編程的行波，從而在開放邊界附近實現有效的流體操控。

02.

本研究貢獻：

（1）提出基于毫米尺度近壁波浪運動的流體輸運機制，建立了波形特性與輸運性能之間的理論解析模型，系統分析了設計參數、驅動條件及流體性質對單個磁驅波動單元在全浸沒和部分浸沒條件下波形特性與輸運性能的影響。

（2）探究多個波動單元間的群體行為對整體輸運性能的影響，并設計開發了用于平面和復雜3D管道結構中的微型軟體泵。

（3）將近壁流體輸運機制應用于具有粘附運動能力的仿蝸牛微型爬行機器人。該機器人能夠在不同傾角、流變特性和液膜厚度的濕滑表面，以及凹凸不平、覆蓋粘液的豬胃腸道組織表面實現粘附移動。

貢獻一：基于毫米尺度近壁波浪運動的流體輸運機理

首先，本研究通過一種磁性軟復合薄片實現了波浪運動。該磁片由嵌入釹鐵硼（NdFeB）微顆粒的聚合物基體組成，并被編程為簡諧波磁化分布。磁片的兩端被固定在一個支撐框架上，其跨度短于磁片的自然長度，磁片從而被配置為一種預屈曲的弧形構型。當磁片置于旋轉磁場中時，釹鐵硼顆粒的磁化方向趨于與外磁場方向一致，從而沿磁片長度產生隨時間變化且空間非均勻的力矩分布。這種相互作用在基底附近產生了行波。

為了實現更大范圍內的流體輸送，本研究中波動單元陣列的制備受力學引導的三維組裝技術啟發。二維磁片被拼接在預拉伸的柔性框架上，當預拉伸應力釋放時，所有薄片將同步彎曲。盡管該框架具有柔性，但其楊氏模量高于磁片，結合縱向脊線的設計，有效地抑制了驅動過程中框架產生的不必要彎曲。

圖1. 毫米尺度波浪運動的概念架構、實驗實現與潛在應用

結合基于Cosserat桿理論的數值仿真與實驗表征，本研究系統分析了幾何設計、驅動條件等因素對單個波動單元波形特性（行波振幅A和傳播距離d）的影響。結果表明，波動單元的波形特性受磁化周期數、磁片厚度、長度、磁場強度、與基底間隙高度等參數的綜合調控。這些發現為探索波動單元的運動性能提供了基礎。

圖2. 不同參數下波形特性的表征

隨后，本研究探究了波動單元在全浸沒與半浸沒條件下的近壁流體輸運性能。為了觀測近壁流場，研究團隊采用粒子圖像測速（PIV）技術對波動單元周圍的流場進行了可視化。一個周期內幾個離散時間點的流場圖揭示了波動單元驅動的流體輸運為一種空間不均勻分布的非穩態脈動流，每個驅動周期被劃分為“沖程”與“回程”。盡管具有往復特性，其周期平均流量Q仍為正值，保證了流體的凈前向輸運。

為了更好地了解不同因素對近壁流體輸運性能的影響，本研究建立了一個將Q和A, d, H, f關聯的解析模型。該模型揭示了Q與間隙高度H之間的非線性關系，并證明波動單元和基底的合理接觸通過平衡A與d，實現了最優輸運性能。在半浸沒條件下，該波動單元同樣表現出穩定的流體輸運能力。此外，形成穩定的液橋保證了多個串聯波動單元間的連續流體輸送。

圖3. 波動單元驅動的近壁流體輸運特性

貢獻二：多個波動單元的群體輸運行為及液體混合探究

圖 4. 波動單元陣列在平面流體操控中的集體行為。

自然界中的生物可通過主動協調其附肢來實現流體輸運，例如海星幼蟲的纖毛帶、龍蝦的游泳足，以及多毛類蠕蟲的疣足等。受這些生物系統的啟發，本研究嘗試探究多個波動單元的群體輸運性能。實驗結果顯示，具有不同時間相位差的陣列在輸運性能上表現出顯著差異。值得注意的是，最優時間相位差依賴于流體粘度，對于甘油，具有45°相位差的波動單元陣列在所有觀測中表現出最佳性能，相比90°相位差的配置輸運速度提升了高達45.6%。而對于水，最優相位差為15°，相比90°相位差的配置提升了160.4%。

同時，通過多行波動單元間的跨行流體動力耦合可以進一步增強整體流體輸運性能。實驗結果顯示，相鄰行之間具有半跨距錯位配置的空間相位陣列產生了更高的流速，這證實了合理的空間相位優化同樣能提升平面流體輸運效率。基于上述發現，本研究通過控制波動單元的模式和朝向開發了一種用于多流體操控的平面流體傳輸裝置，在可控旋轉磁場的驅動下，該裝置具備同步輸運及混合多種流體的能力。

圖 5. 3D 管狀結構內的近壁流體輸運

除了平面流體操控，支撐框架的柔性使波動陣列能夠貼合三維表面，自適應不同幾何形狀與曲率的管狀結構。通過在直管、彎管及模擬支氣管模型中的實驗，本研究成功演示了該微型柔性管狀泵驅動粘性流體逆重力輸運的能力，證實了其在支氣管等管路中進行流體操控的可行性。

貢獻三：基于近壁群體波浪運動的粘附移動微型機器人

圖 6.在覆蓋液膜的平面上爬行的毫米級軟體機器人。

最后，本研究將波動單元應用于仿蝸牛微型軟體爬行機器人。通過協同波浪運動產生逆向波，該機器人能夠沿基底向后泵送流體，從而獲得前向運動的推進力。此外，表面張力在機器人與基底之間形成液橋以實現粘附，使機器人能夠貼合復雜的3D 表面。這種粘附移動模式平衡了移動能力與粘附能力，使機器人在運動過程中能與液膜保持持續接觸。

實驗結果表明，在涂有甘油的水平、垂直、倒置表面上，機器人均實現了快速、穩定的爬行。該機器人的爬行速度超過了具有類似機制的生物，并在已報道的微型粘附移動機器人中處于領先水平。

圖 7. 軟體毫米機器人在離體豬消化道（GI）內的爬行性能

這種具備粘附運動能力的毫米機器人能夠沿天然覆蓋著粘液層的豬胃腸道組織表面穩定運動。經驗證，機器人成功在覆蓋粘液的胃、小腸、十二指腸和結腸組織的倒置、不平整表面上爬行，速度分別達到0.5、0.26、0.32和0.44 BL/s。此外，機器人的固有柔性使其能夠適應凹凸不平的表面，并跨越4.24 mm的天然褶皺。對于更陡峭的褶皺，機器人可利用其磁控轉向能力進行繞行。通過持續調整航向以避開巨大褶皺、選擇相對平坦的路徑并攀爬傾斜的胃壁，機器人成功到達了三個預定目標點。最后，機器人還成功完成了在一段塌陷的軟小腸組織內的爬行驗證，盡管受到上下組織表面的機械阻力，機器人仍成功實現了前向運動和可控轉向。

03.

總結與展望

粘附運動機制巧妙利用近壁波浪運動，在維持連續界面接觸的同時實現推進，從而化解了機器人在附著與運動之間的矛盾。這種摒棄復雜步態與連續吸脫附控制的策略，體現自然界腹足類生物刪繁就簡的“物理智能”。

人體胃腸道、呼吸道等器官表面廣泛存在粘液層，這為基于近壁波浪運動的流體輸運與推進機制提供了絕佳的應用場景。未來，該近壁流體輸運與推進機制有望為下一代醫療微型機器人的設計提供全新思路，在諸如微型機器人的精準巡檢與靶向給藥、呼吸道粘液清除，以及醫療導管內壁頑固生物膜的機械剝離等應用中發揮關鍵作用。

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