大家好！今天来了解一篇微型机器人研究——《Stiffness-tunable velvet worm–inspired soft adhesive robot》发表于《SCIENCE ADVANCES》。大家想想，在人体内部这样复杂的环境中，微型机器人要稳定操作，粘附控制是多么关键啊！就像壁虎能在墙壁上自由行走，自然生物的粘附策略给了科学家们很多启发。而天鹅绒蠕虫的特殊技能更是让研究者们眼前一亮。接下来，就让我们一起看看这款受天鹅绒蠕虫启发的软胶机器人，它在刚度可调的粘附控制方面有哪些厉害之处。
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景
在微型移动机器人领域，其远程控制和先进移动性在微创医疗操作中具有重要意义，但粘附控制方面的研究仍存在诸多挑战。在人体内部等复杂环境中，如粗糙、有纹理和柔软组织表面，微型机器人的粘附控制功能至关重要，然而在小尺度下，粘附、摩擦和表面能相关问题呈指数增长，使得在体内稳定操作成为难题。
自然生物的粘附策略为人工系统提供了灵感。例如，贻贝蛋白、壁虎、青蛙、甲虫足毛和章鱼吸盘等生物的粘附方式被广泛研究。对于可切换粘合剂，人们更倾向于研究非化学粘附参数的控制，如通过光、热、磁场和压力等可逆可控能源，基于机械动力学理论分析，尝试通过改变接触面积、界面转变、能量分布、气动变化、模量增强和静电等方式控制有效粘附，同时设计三维微/纳米结构也备受关注。弹性模量在微尺度粘附系统中尤为重要，它影响共形表面接触和机械强度。天鹅绒蠕虫通过独特机制控制唾液弹性模量来捕食或移动，其分泌物中的纳米球在机械应力下自组装成纳米和微纤维，从而增强弹性模量，这为研究提供了新思路。
二、研究成果
（一）MRE优化用于粘附控制
MRE因其优异的磁响应性而成为抓手的理想粘合剂材料。为优化其性能，采用羰基铁颗粒（CIPs，直径约5μm）和高柔软性弹性体Ecoflex-10构建MRE复合材料。通过简单复合混合工艺解决CIPs团聚问题，并通过额外热固化减少其在基质中的沉降，确保良好分散和最小孔隙率。
在优化过程中，重点研究了弹性模量和表面能变化对粘附的影响。随着CIPs比例增加，MRE的磁矩变化更显著，拉伸模量（影响剪切粘附的剪切模量）也相应增加，但初始模量的增加会导致材料模量变化率（∆E/E0）降低。同时，表面能随填料比例增加而降低，但磁场变化引起的变化率略有增加。通过实验确定了材料粘附变化最高的临界质量分数为300wt%。MRE模量转变时间小于60ms，经1000次重复测试验证了其机械性能的耐久性。
（二）3D结构化MRE粘合剂的粘附分析
1、粘附力测量与控制协议
研究了不同组成比例的3D结构化MRE在磁场和不同基底作用下的粘附力。MRE的粘附控制协议包括：在无磁场时，柔软状态的MRE粘合剂以足够预载力粘附目标，确保大接触面积；磁场增加时，颗粒间力限制聚合物恢复力，维持大接触面积并增加MRE弹性模量，从而提高粘附强度。
在晶片表面，预载前后接触面积相对恒定，粘附力主要受模量增加影响；在粗糙表面，预载时MRE变形改变聚合物恢复力和初始接触面积，磁场作用下CIPs吸引力限制聚合物恢复力，防止接触面积改变，此时300wt%MRE表现出最高粘附和粘附变化率。
2、理论模型与有限元分析（FEM）
通过FEM数值模拟和方程，比较了弹性体恢复力（Fr）和颗粒间吸引力（Fa），以理解MRE粘附控制过程，包括接触面积（A）、弹性模量（E）和粘附力（FN,M）等元素。结果表明，高弹性粘合剂结构中的共形接触对提高粘附强度至关重要，控制模量对机械分离有重要贡献。
3、3D结构的优势
3D结构的MRE粘合剂提高了对软质和粗糙表面的适用性。对于低力微型机器人，3D结构降低了有效弹性模量，提高了MR粘附过程效率，减少了预载力需求。
蘑菇状结构影响剪切粘附和有效刚度，其分层结构产生的范德华力可稳定接触粗糙表面。在树皮（均方根粗糙度Rq:2.9μm）或猪皮（Rq:1.27μm）等粗糙表面，平面结构因强机械阻力限制了流变性能，而蘑菇状结构在低预载（1.5N/cm²）下仍能确保有效MR效应，提供强大粘附性能（磁场关闭时为1.35N/cm²，磁场开启时为2.93N/cm²），并能有效控制粘附。
3D结构还能解决MR过程在抓取软质材料方面的局限性。精确制造的3D结构在相同预载下使粘合剂而非基底变形，有效降低了MRE的有效模量，从而更高效地控制MR粘附过程以抓取软质材料。
（三）物体抓取、操作及肿瘤切除手术辅助
1、物体操纵实验
MRE粘合剂集成于软质毫米级机器人，在无编程机器人辅助下，可操纵柔软湿润的豆腐。
编程后的机器人结合MRE粘合剂，能操纵多种物体，如在外部磁场作用下，可抓取和提升湿润柔软的生肝脏样本，还能操纵光滑湿润的三文鱼籽和软奶酪，甚至能通过旋转磁场抓取并拧下螺栓上的螺母。
2、肿瘤切除手术辅助
实验展示了机器人在小鼠肿瘤切除手术中的应用（如图6A所示，小鼠肿瘤切除手术辅助示意图）。肿瘤细胞表面柔软且有皱纹，直径小，传统工具难以抓取且易造成损伤，而该机器人能实现平滑精确的粘附，适合抓取肿瘤进行切除。
机器人在手术中的具体操作过程包括接近肿瘤、增强粘附力抓取、提升肿瘤并通过手术剪刀切割。通过外部磁场控制，机器人能精确抓取和移除肿瘤细胞。
与配备不可切换粘合剂（纯PDMS和纯Ecoflex）的机器人相比，该机器人在手术切口面积和小鼠体重变化方面表现更优，证明了可切换粘合剂在精确远程手术中的重要性。
三、讨论
（一）材料优化
当前研究虽优化了常用材料，但仍需开发更软且机械变形更强的材料，以解决内部器官与粘合剂机器人界面的机械不匹配问题。同时，需提高MR颗粒在软质材料中的渗透率，以增强粘附控制的可扩展性。此外，克服MRE需持续外部能量及化学改进不足的局限，也是未来材料优化的方向。
（二）增强粘附力的理论机制
1、垂直粘附力计算
垂直粘附力（FN）根据现有文献计算，其中涉及接触面积（A）、界面粘附功（γ）、粘合剂柔量（C）和比例常数（k）等因素。在平坦基底上，主要考虑弹性模量和界面粘附功随磁场的变化；在粗糙表面上，需逐步跟踪粘附过程，分析初始面积、聚合物恢复力、接触面积变化、MRE模量变化和总净力等元素。
2、粗糙表面粘附分析
对于粗糙表面，通过FEM分析结合预载力（Fp）和弹性模量测量，可获得初始接触面积（A0）。磁场作用下，CIPs吸引力抑制聚合物恢复力，其恢复力（Fr）近似等于预载力。CIPs间吸引力（Fa）可通过组成比例和磁场计算，MRE在粗糙表面的粘附净力（FN）根据不同情况计算。
3、蘑菇状结构对粘附的影响
蘑菇状结构通过增加接触面积和改变模量影响粘附力，其结构设计考虑了低预载力对机器人扭矩的限制，以实现宽表面的共形接触。此外，机械变形与结构的协同作用为增强粘附提供了研究机会，未来有望开发新结构用于体内应用。
（三）应用设计
1、肿瘤切除手术应用
机器人在小鼠腿部远程肿瘤切除手术中发挥重要作用，能有效抓取和提升肿瘤细胞，减少切割面积，但实验受限于设备，目前在体外进行。未来可与多种切割方法集成，如剪刀切割、热疗、激光、磁场远程剪刀、电线和超声等。
2、磁性系统局限与发展方向
当前磁性系统存在局限，如Helmholtz线圈难以形成均匀高强度磁场，限制了手术操作。未来需要强大的磁场控制设备，以实现体内精细精确操作，如抓取和特定位置固定。具备多种调整能力的软抓手有望在生物医学工程领域，如植入式闭环操作系统中拓展应用。
四、一起来做做题吧
1、以下哪种自然生物的粘附策略未在文中提及作为人工系统的灵感来源？（ ）
A. 蚂蚁的群体协作式粘附
B. 贻贝蛋白的粘附方式
C. 壁虎的粘附结构
D. 章鱼吸盘的粘附原理
2、在优化 MRE 材料时，为解决 CIPs 团聚问题采用了什么方法？（ ）
A. 增加 CIPs 的直径
B. 改变基质材料
C. 简单复合混合工艺
D. 降低 CIPs 的含量
3、MRE 材料中 CIPs 比例增加会导致以下哪种情况？（ ）
A. 表面能增加且变化率降低
B. 拉伸模量降低且变化率增加
C. 磁矩变化更显著且拉伸模量增加
D. 弹性模量变化率增加且表面能不变
4、在粗糙表面上，3D 结构化 MRE 相比平面结构 MRE 的优势不包括以下哪项？（ ）
A. 能在低预载下确保有效 MR 效应
B. 有效降低有效弹性模量
C. 限制了流变性能
D. 提供更强大的粘附性能
5、在 MRE 粘附控制过程中，磁场增加时，以下哪个因素会限制聚合物的恢复力？（ ）
A. 接触面积的增加
B. CIPs 间的吸引力
C. 弹性模量的降低
D. 预载力的减小
6、以下哪种物体不是软质毫米级机器人在实验中成功操纵的？（ ）
A. 干燥的木块
B. 软豆腐
C. 湿三文鱼籽
D. 奶酪
7、在肿瘤切除手术中，与配备不可切换粘合剂的机器人相比，本文中的软胶机器人优势在于（ ）
A. 切割速度更快
B. 肿瘤抓取更牢固
C. 机器人运动更灵活
D. 手术切口面积更小
8、为了克服 MRE 材料目前的局限，未来研究方向不包括以下哪项？（ ）
A. 开发更软且机械变形更强的材料
B. 提高 MR 颗粒在软质材料中的渗透率
C. 增加 MRE 对外部磁场的依赖程度
D. 通过化学方法改进材料
9、在增强粘附力的理论机制中，对于粗糙表面粘附过程分析，以下哪个元素不是必须考虑的？（ ）
A. 初始接触面积
B. 聚合物的颜色变化
C. 接触面积变化
D. MRE 模量变化
参考文献：
Hyeongho Min et al. ,Stiffness-tunable velvet worm–inspired soft adhesive robot. Sci. Adv.10, eadp8260(2024).
