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微小型软体机器人是近年来机器人领域的重要分支，在狭小空间工程探索、生物体内药物递送、体内医疗诊断等领域扮演着重要角色。近日，香港城市大学于欣格团队联合大连理工大学解兆谦、北京航空航天大学常凌乾教授，合作开发了一款无源无线的电驱动软体机器人。该软体机器人系统从无线化设计和多功能传感入手，实现了小型化软体机器人在封闭空间中对液体环境的物理、化学和生物各项指标的无线化监测。
研究成果以Battery-free,
wireless, and electricity-driven soft swimmer for water quality and
virus
monitoring（用于水质和病毒监测的无电池、无线、电力驱动的软体游泳机器人）为题，于2024年1月10日发表于Science开放获取子刊Science
Advances杂志。小尺寸机器人有能力在狭小和封闭空间中运动穿梭，因此，小尺寸机器人是在此类场景下（包括生物体内）执行环境监测或生物医学检测的一个理想装置。为实现此类任务，机器人装置首先需要是无线的，任何绳索的牵绊都会限制其自由运动，这就要求机器人驱动和传感数据读取必须是无线化的；另外，机器人需具备多重传感能力，传感指标的多少关系到机器人监测能力和智能化的强弱；如此多的功能要求往往依靠于在机器人系统之中集成更多的模块，而这势必对机器人的小型化带来挑战。针对上述问题，研究团队利用纯电学方式开发出了一款小型的、无线的、无电池的、电驱动机器人系统，可在封闭的水环境中实现多项指标的监测。首先，通过射频供电方式，电驱动机器人系统不需要安装电池就可以在封闭空间中不受束缚的运动，在特定驱动频率下，机器人可展现出谐振特性，并进行快速地游动。无电池化设计避免了机器人系统在尺寸和重量上的增加。进一步地，该系统采用了柔性电子技术，集成了薄型轻质的多功能生物化学传感器和无线化数据采集模块，传感器可对水中离子和病毒浓度进行检测，所有检测数据均同步传输，并通过近场通信技术显示在智能手机图形用户界面上，最终实现对水质和病原体污染情况的实时评估。
无源无线软体机器人监测系统的总体构造和功能图
该研究以管道场景为例子，展现了此小型软体机器人系统在封闭环境下对温度、离子和病毒的检测能力。该研究展现了在封闭空间下，机器人驱动的无线化和无电池化，并且无需取出机器人装置即可无线化地读取监测数据。此无线化技术，亦可用于开发体内生物医用软体机器人系统，以实现机器人的体内监测和体内主动医疗功能。论文共同第一作者为香港城市大学生物医学工程学系研究员李登峰、博士生周靖昆和黄星灿、博士后李虎，以及大连理工大学力学工程系博士生赵紫晨。香港城市大学生物医学工程学系于欣格副教授、大连理工大学力学工程系解兆谦教授、北京航空航天大学生物与医学工程学院常凌乾教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、香港研究资助局、香港创新科技署、国家重点研发计划等项目的资助。于欣格，香港城市大学生物医学工程学系副教授，博士生导师，香港青年科学院院士，香港RGC
Fellow，国家优秀青年科学基金（港澳）获得者，《麻省理工科技评论》创新35人。研究方向为新型柔性电子在生物医疗领域的应用。
解兆谦，大连理工大学力学与航空航天学院教授，博士生导师，国家级青年人才项目获得者。研究工作主要聚焦于力学与生命健康前沿交叉领域，面向可延展柔性器件在生物医学应用中的关键科学问题，发展微器件柔性化、一体化、集成化的新型力学设计及理论。常凌乾，北京航空航天大学生物与医学工程学院教授，博士生导师，国家高层次人才项目获得者。研究方向为纳米电穿孔、细胞诊疗、生物芯片、生物传感。李登峰，香港城市大学生物医学工程学系研究员，主要从事生物医用微纳机器人、软体机器人和可穿戴触觉反馈界面的研究。
本文由论文作者团队特邀供稿，文中观点仅为作者团队观点，不代表Science/AAAS立场。
