微小型軟體機(jī)器人是近年來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的重要分支，在狹小空間工程探索、生物體內(nèi)藥物遞送、體內(nèi)醫(yī)療診斷等領(lǐng)域扮演著重要角色。近日，香港城市大學(xué)于欣格團(tuán)隊(duì)聯(lián)合大連理工大學(xué)解兆謙、北京航空航天大學(xué)常凌乾教授，合作開(kāi)發(fā)了一款無(wú)源無(wú)線的電驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人。

該軟體機(jī)器人系統(tǒng)從無(wú)線化設(shè)計(jì)和多功能傳感入手，實(shí)現(xiàn)了小型化軟體機(jī)器人在封閉空間中對(duì)液體環(huán)境的物理、化學(xué)和生物各項(xiàng)指標(biāo)的無(wú)線化監(jiān)測(cè)。研究成果以Battery-free, wireless, and electricity-driven soft swimmer for water quality and virus monitoring（用于水質(zhì)和病毒監(jiān)測(cè)的無(wú)電池、無(wú)線、電力驅(qū)動(dòng)的軟體游泳機(jī)器人）為題，于2024年1月10日發(fā)表于Science開(kāi)放獲取子刊Science Advances雜志。

小尺寸機(jī)器人有能力在狹小和封閉空間中運(yùn)動(dòng)穿梭，因此，小尺寸機(jī)器人是在此類(lèi)場(chǎng)景下（包括生物體內(nèi)）執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測(cè)或生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)的一個(gè)理想裝置。

為實(shí)現(xiàn)此類(lèi)任務(wù)，機(jī)器人裝置首先需要是無(wú)線的，任何繩索的牽絆都會(huì)限制其自由運(yùn)動(dòng)，這就要求機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和傳感數(shù)據(jù)讀取必須是無(wú)線化的；另外，機(jī)器人需具備多重傳感能力，傳感指標(biāo)的多少關(guān)系到機(jī)器人監(jiān)測(cè)能力和智能化的強(qiáng)弱；如此多的功能要求往往依靠于在機(jī)器人系統(tǒng)之中集成更多的模塊，而這勢(shì)必對(duì)機(jī)器人的小型化帶來(lái)挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)利用純電學(xué)方式開(kāi)發(fā)出了一款小型的、無(wú)線的、無(wú)電池的、電驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，可在封閉的水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。首先，通過(guò)射頻供電方式，電驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)不需要安裝電池就可以在封閉空間中不受束縛的運(yùn)動(dòng)，在特定驅(qū)動(dòng)頻率下，機(jī)器人可展現(xiàn)出諧振特性，并進(jìn)行快速地游動(dòng)。無(wú)電池化設(shè)計(jì)避免了機(jī)器人系統(tǒng)在尺寸和重量上的增加。

進(jìn)一步地，該系統(tǒng)采用了柔性電子技術(shù)，集成了薄型輕質(zhì)的多功能生物化學(xué)傳感器和無(wú)線化數(shù)據(jù)采集模塊，傳感器可對(duì)水中離子和病毒濃度進(jìn)行檢測(cè)，所有檢測(cè)數(shù)據(jù)均同步傳輸，并通過(guò)近場(chǎng)通信技術(shù)顯示在智能手機(jī)圖形用戶界面上，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)和病原體污染情況的實(shí)時(shí)評(píng)估。

無(wú)源無(wú)線軟體機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)造和功能圖

該研究以管道場(chǎng)景為例子，展現(xiàn)了此小型軟體機(jī)器人系統(tǒng)在封閉環(huán)境下對(duì)溫度、離子和病毒的檢測(cè)能力。該研究展現(xiàn)了在封閉空間下，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的無(wú)線化和無(wú)電池化，并且無(wú)需取出機(jī)器人裝置即可無(wú)線化地讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此無(wú)線化技術(shù)，亦可用于開(kāi)發(fā)體內(nèi)生物醫(yī)用軟體機(jī)器人系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的體內(nèi)監(jiān)測(cè)和體內(nèi)主動(dòng)醫(yī)療功能。

香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系于欣格教授、大連理工大學(xué)力學(xué)工程系解兆謙教授、北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院常凌乾教授為論文通訊作者。論文共同第一作者為香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系研究員李登峰、博士生周靖昆和黃星燦、博士后李虎，以及大連理工大學(xué)力學(xué)工程系博士生趙紫晨。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、香港研究資助局、香港創(chuàng)新科技署、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

審核編輯：劉清