为小尺度软体机器人系统提供矢量控制策略，上海交大联合同济团队研发“自矢量”机器人

迪士尼动画电影《超能陆战队》中的“大白（Baymax）”是一种医疗机器人，它由软材料躯体和电子芯片组成，充气塑型后启动，并自主地感知、判断及驱动，表现出超高水平的智能。

（来源：《超能陆战队》）

受此启发，上海交通大学与同济大学团队合作提出了“自矢量”机器人（Self-vectoring Electromagnetic Soft Robot, SESR）的概念。他们利用软物质内嵌的液态金属来主动地生成三维电磁矢量，设计了充气可重构外形（而非高压驱动）的软体驱动器。

在完全静态的磁场下，展示出以往研究中无法实现的形状变形和运动能力，为小尺度软体机器人系统提供了一种全新的控制策略。

（来源：该团队）

近日，相关论文以《具有高操作维度的自矢量电磁软机器人》（）为题发表在Nature Communications 上[1]，并被遴选为 Editor’s Highlights。

上海交通大学密西根学院博士生陈虎越和同济大学航空航天与力学学院研究员为论文共同第一作者，上海交通大学机械与动力工程学院教授、上海交通大学密西根学院邵磊副教授以及同济大学航空航天与力学学院研究员为论文共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Communications）

该团队提出的“自矢量”机器人，是如何实现全新控制策略的呢？

研究人员通过对两种全软驱动器模块（垂直和水平矢量驱动器）的重新配置，制造了具有不同形状、电磁矢量方向的软机器人。这种设计原理允许不同模块携带的同步输入或独立控制的电流实现三维矢量的自合成，从而产生空间内任意方向和大小的电磁矢量或其阵列。

图丨主动自矢量软体电磁驱动模块设计和静磁场下的自矢量高维驱控原理（来源：Nature Communications）

因此，每个模块中输入电流的快速调谐和反转实现了 SESR 中所有子域的主动选择性、独立可（重新）编程和瞬时全向矢量合成，首次将三维矢量合成策略引入小尺度软机器人领域。

通过这种新颖的设计和自矢量控制，该课题组成员运用更少数量的驱动器，实现了更多维度的变形及驱动，如复杂和即时的三维形状变形、全向旋转和滚动、无绳系或无外磁场的游动等。

图丨“自矢量”驱控原理和实验验证（来源：Nature Communications）

据悉，SESR 之所以在三维空间所有方向都可实现矢量合成，得益于在课题组正式确立“自矢量”的概念之后，平面螺旋线圈（V）以及三维可重构螺线管线圈（H）这两种软电磁圈的重新构建。

与以往研究中不同的是，SESR 允许在完全静态的磁场下实现即时高效的可重新编程、独立的子域驱动和全方向的矢量操控，而不再依赖于外部的磁场、声场或光场调控。此外，预储备的空气或低沸点溶液允许重构三维线圈的外形，内部电流的方向和大小决定了电磁矢量的分量。

图丨“自矢量”驱控实现的高维控制和敏捷运动（来源：Nature Communications）

只需要施加不同模式的电流控制，模块化的 SESR 便能实现即时高效的可重新编程、独立的子域驱动和全方向的矢量操控。该团队使用了包括电磁矢量的幅值、频率和极性等不同的控制序列，在静态磁场中演示了三叶草形 SESR 的多种变形模式，独立/同步/异步地弯曲、扭转以及弯扭耦合的姿态，而无需复杂的控制和辅助设备。

此外，SESR 的便捷操作还体现在，通过单驱动器单路控制信号，就能实现连续翻滚和双向翻滚，两个驱动器两路控制信号，可实现全向翻滚运动和平面全向定位操控。

图丨上海交通大学团队（来源：该团队）

为了证明“自矢量”致动器的灵活性和可扩展性，该团队展示了模块化的不同组合和充分的可重编程形状变形。值得关注的是，可编程/预先编程意味着，机器人能按照一种固定的方式来执行研究人员提前设置好的指令。然而，可重新编程融合了时间维度和主动控制，课题组成员能按需原位擦除和调控机器人的变形姿态。

图丨“自矢量”策略操控的水陆两栖多模式运动（来源：Nature Communications）

同时，不同于介电弹性体和静电液压高达 kV 级别的驱动能源，电磁软体机器人是低电压的，3.8V 的小型锂电池就能满足两至三模块的供电需求。进一步地，该团队展示了如何在电线、气管甚至外部磁铁上做“减法”，逐步实现微型自矢量机器人的无绳系、无束缚驱动。

未来，更小型化和集成化的电磁软机器人将有望服务于生物医学工程，比如核磁共振成像兼容的手术机器人，能在单向磁场中灵活运动。陈虎越表示：“超快速的三维可重新编程，为开发媲美自然界生物体的高灵活度和高集成度的软体机器人系统提供了更多可能性。”

他认为，传感、驱动、通讯甚至学习能力的高度融合将是未来机器人的发展趋势。此前，陈虎越还通过“声学超球面”展示了远程人机交互，模拟了钢铁侠中的智能管家“贾维斯”（此前 报道：）[2]。

因此，创建拥有更高等级“智能”的机器人系统，在未来有更重要的意义。

上海交通大学团队诚聘博士后，同济大学研究员招收硕士、博士研究生。

参考资料：

1.Li, W., Chen, H., Yi, Z. et al. Self-vectoring electromagnetic soft robots with high operational dimensionality. Nature Communications 14, 182 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-35848-y

2.Ma, K.,Chen, H., Wu, Z. et al. A wave-confining metasphere beamforming acoustic sensor for superior human-machine voice interaction. Science Advan ces 8, eadc (2022). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9230