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作者

牛福洲1,2, 薛瞿豪1, 曹青2,3, 何昕洋1, 王韜磊1, 王皓辰1, 郝崇磊4, 李霄劍5,*, 李瑩6,*, 楊浩7,*, 楊華勇2,3, 韓冬2,3,*

機構

1.蘇州科技大學機械工程學院

2.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室

3.浙江大學機械工程學院

4.哈爾濱工業大學機電工程學院

5.合肥工業大學管理學院

6.深圳工業大學機電工程學院

7.蘇州大學機電工程學院

Citation

Niu F Z, Xue Q H, Cao Q, et al. 2025. Magneto-soft robots based on multi-materials optimizing and heat-assisted in-situ magnetic domains programming. Int. J. Extrem. Manuf.7. 055506.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/add7a4

撰稿 | 文章作者

#01

文章導讀

軟體機器人具有卓越的靈活性和適應性，因其在生物醫學領域的廣泛應用前景而備受關注，但如何高效制造具有可編程三維磁疇的軟體機器人仍面臨材料配比和制造工藝兩大難題。

近期，由蘇州科技大學和浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室等單位組成的研究團隊，成功開發了一種熱輔助原位集成成型方法，實現了磁性材料的優化配比和三維可編程磁疇的簡便制造。相關成果以“Magneto-Soft Robots Based on Multi-Materials Optimizing and Heat-Assisted In-Situ Magnetic Domains Programming”為題發表在《極端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing）。

#02

圖文解析

本研究的創新之處在于提出了一種熱輔助原位集成成型方法（如圖1所示），解決了磁性軟體機器人制造中的兩大關鍵挑戰：材料優化與磁疇編程。

研究團隊探索了不同PDMS與Ecoflex的質量比（0:1、1:4、1:2、1:1和1:0）以及不同磁性顆粒含量（30%至70%）的組合效果。通過應力-應變曲線分析和磁響應性能測試，確定了1:2的PDMS與Ecoflex質量比和50%的磁性顆粒含量為最佳配方，在機械強度、柔韌性和磁響應性之間取得了完美平衡。（如圖2所示）。

研究的另一亮點是，團隊通過系統實驗發現，開發了熱輔助原位磁疇編程技術。通過在120°C的溫度下進行磁化，樣品表面磁通密度達到9.5 mT，是室溫下(4.8 mT)的2倍，且與商用磁化器相當（如圖3所示）。這種方法無需昂貴設備，簡化了制造流程，顯著降低了成本。

更令人印象深刻的是，團隊成功制造了六種不同功能的軟體機器人，展現了該技術的多樣性應用潛力。包括：二維圖案化軟體機器人(2D-PSR)、圓形六極磁疇分布磁性軟體機器人(2D-CSPDMR)、四足行走磁性軟體機器人(QWMSR)、物體操作機器人(OMR)和中空薄壁球形磁性軟體機器人(HTWSMSR)。這些機器人展示了從平面變形到三維運動的多種能力，以及物體操作和液體輸送等功能（如圖4-7所示），為磁性軟體機器人在醫療微創手術和精準藥物輸送等領域的應用提供了新的技術路徑。

值得注意的是，該一體化方法特別適合制造中空薄壁結構，這在其他制造方法中往往難以實現。如圖8所示，研究團隊采用特殊設計的三部分模具（公模、母模和填充模具），成功制造出具有5個對稱釋放孔的中空薄壁球形磁性軟體機器人。這種復雜結構的一體化制造過程既保證了結構完整性，又實現了精確的磁疇分布，為軟體機器人的結構和功能設計提供了全新的可能性。

圖1通過熱輔助原位集成成型方法，制備具有三維可編程磁疇的磁性軟體機器人。

圖2磁響應軟材料在優化配比后的材料性能。(a) PDMS與Ecoflex在不同質量比下的應力-應變曲線。(b) 磁性顆粒在不同濃度下的應力-應變曲線。(c) 磁響應軟材料在不同磁性顆粒濃度下的變形能力。

圖3熱輔助原位磁疇編程技術。(a) 不同溫度對機器人磁化的影響。(b) 將我們提出的磁化方法與商用充磁機進行對比。

圖4六種不同功能的磁性軟體機器人。

圖5四足行走磁性軟體機器人的多模態運動以及在復雜環境下的優秀適應能力。(a) 四足爬行機器人的實物圖。(b) 爬行運動。(c) 翻滾運動。(d) 穿過狹窄通道。(e) 翻越障礙物。(f) 在迷宮內避開障礙物并且規劃最佳路徑。

圖6物體操作機器人在液體環境下執行運輸任務。

圖7中空薄壁球形磁性軟體機器人運輸以及釋放液體。

圖8中空薄壁球形磁性軟體機器人的模具與實物。

#03

總結與展望

本研究提出的熱輔助原位磁疇編程技術為磁性軟體機器人的制造提供了一種低成本、易制造、高效率的新方法。通過優化多材料配比和創新的磁疇編程工藝，研究團隊成功開發了多種具有不同功能的軟體機器人，展示了從簡單平面變形到復雜三維運動的多種能力。

未來，研究者們將進一步探索更精細的磁疇控制方法，如利用激光加熱提高磁疇制備的精度，開發智能響應材料以增強機器人的功能多樣性，并探索在實際生物醫學應用中的潛力。

#04

作者團隊與簡介

本研究由蘇州科技大學牛福洲副教授領銜，聯合浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室等多家科研機構共同完成。牛福洲是蘇州科技大學機械工程學院的青年學者（副教授），主要研究方向為軟體機器人、磁性材料與智能制造技術。他帶領的研究團隊致力于開發新型磁場驅動系統和智能軟體機器人。

本項目的核心團隊成員包括蘇州科技大學的薛瞿豪、何昕洋、王韜磊和王皓辰，以及浙江大學的曹青和韓東教授等。團隊匯集了機械工程、材料科學和控制工程等多學科背景的研究人員，形成了從材料制備、機器人設計到控制算法的完整研究鏈條。

團隊實驗室配備了先進的3D打印設備、磁性材料表征系統和多種類精密控制平臺，為磁性軟體機器人的研發提供了堅實的硬件基礎。

團隊研究得到了國家自然科學基金、江蘇省優秀青年基金、國家重點研發計劃等多項科研項目的支持。

歡迎關注團隊研究動態，了解更多磁性軟體機器人的最新進展！

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子21.3，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

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