香港城市大学吕坚院士团队JMST:折纸-模块化设计的磁驱动软机器人用于环境感应和微针载药

摘要：

与传统的刚性机器人相比，软体机器人和刺激响应材料因具有高度顺兴应和环境适应性而成为研究领域的热点。在各种软体驱动材料中，磁响应材料以其快速响应、强穿透、无线控制和生物相容等优势而备受关注。然而大多数现有的磁响应软机器人仅具有单一功能，无法同时实现复杂三维几何变形和多功能执行。本文利用简单的制造方法和灵活设计思路，提出了一种将折纸方法与模块设计相结合的新颖方案，成功展示了软机器人的环境感应功能和微针载药功能。

正文：

本研究提出了一种新的折纸-模块设计，用于构建具有磁响应三维形状变换和多层次功能的复杂软机器人。该研究通过折纸设计对软机器人各部分的磁矩进行了编程，并通过复合不同的功能模块实现了感应和微针载药的功能。本方法在制造过程中实现了复杂三维形状内部的磁矩编程，并通过力学表征和有限元分析，定量研究了磁响应材料的变形能力，验证了该方法的灵活性和可实现性，并在此基础上设计了不同复杂形状的三维驱动器。基于所提出的方法和功能模块化设计，设计了多功能四足软机器人（MFQS），并在磁力的引导下按特定路径运动，实现了对外界环境（UV、热、pH刺激）的传感功能。除了环境感应外，我们还将该方法的潜在应用扩展到生物医学领域，设计了具有可控运动和给药能力的磁响应微针机器人（MRMM），并通过体外实验和组织染色验证其在口服给药领域具有良好的可行性。

该工作以“ Multifunctional origami magnetic-responsive soft actuators with

modular designs“为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。论文的通讯作者为为吕坚院士（香港城市大学）。

图1. 磁响应软机器人的制作工艺及变形原理

图2.磁响应软机器人的性能表征

图3. 具有三维复杂形状的软机器人

图4.环境感应四足软机器人

图5. 磁响应微针模块软机器人的设计与性能

综上所述，本研究有望拓宽和提高磁响应软机器人在智能响应、生物医学治疗等领域的可行性、通用性和多功能性。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.01.033

吕坚院士简介：

吕坚：法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程科学院院士、香港高等研究院高级研究员、香港城市大学工学院院长、香港城市大学机械工程系讲座教授、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。曾任法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任、法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任、香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授、兼任香港理工大学工程学院副院长、香港城市大学副校长（研究及科技）兼研究生院院长。曾2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得72项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances、Nature Communications、Materials Today、Advanced Materials、、PRL、JACS、等专业杂志上发表论文480余篇，引用4万9千余次（Google Scholar）。

个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian。