模擬史萊姆機器人在胃中取紐扣電池

一團黑褐色的瀝青狀黏液，伴隨著自身的蠕動，逐漸移動、伸長，仿佛有意識般地變換著各種形狀，蔓延著包裹住迎來之物……

看到這里，你的腦海中是不是浮現出了電影《毒液》中的場景?

電影照進了現實。近日，Advanced Functional Materials雜志上發表了一篇論文，展示了香港中文大學張立教授團隊和哈爾濱工業大學謝暉教授團隊的最新合作研究成果——酷似“毒液”的磁性黏液機器人。因其外表和材質酷似“史萊姆”玩具，又被稱為史萊姆機器人。

博士生看《毒液》看出靈感

在臨床醫療領域，微創手術、靶向藥物輸送等操作都離不開微型軟體機器人。

傳統微型軟體機器人的材質主要有兩種，一是以硅膠彈性體為代表的固體，二是以磁流體、液態金屬為主的功能性液體。

但實際應用發現，硅膠彈性體的變形能力有限，液體機器人的環境適應性較差，在復雜的人體器官環境中都面臨諸多掣肘。

那么，能否有一種介于二者之間的物質狀態，巧妙融合彈性體的環境適應性與液體的變形能力，從而更好地用于臨床醫療呢?

在好奇心的驅使下，當時還在哈爾濱工業大學讀博的孫猛猛，向導師謝暉提出了自己的想法。“我是從電影《毒液》和史萊姆玩具那里得到的靈感，想看看能不能用一種水凝膠來模擬這種介于固體和液體之間的物質狀態。”孫猛猛向《中國科學報》說道。

2021年，從哈工大博士畢業后，孫猛猛來到香港中文大學做博士后，向導師張立提出了同樣的想法。于是，在哈工大和港中大兩位教授的全力支持與指導下，史萊姆機器人開始逐漸“顯形”。

首先是黏液的制備，研究人員將磁粉和硼砂依次添加到聚乙烯醇溶液中，獲得了一種磁性黏液。接著，將外部磁鐵固定在機械臂上，通過操縱機械臂來改變磁場，從而控制磁性黏液的移動和拉伸，同時，磁性黏液本身的流體性質也有助于它更好地適應環境邊界。

不過，僅僅實現移動和拉伸似乎還不足以稱奇。

“要是能像章魚腕足一樣伸出去，再卷回來，也挺有意思!”靈光乍現之間，孫猛猛上前將伸長狀態下的史萊姆機器人隨機拉了幾下，沒想到，被拉伸的部位果然翹了起來!驚喜之余，他繼續轉動磁鐵，翹起之處竟然真的像章魚腕足一般，向內卷曲起來。

“這就是史萊姆機器人的可重構性。”孫猛猛解釋道。

由于黏液內部的磁性顆粒具有一定的剩磁(剩余磁化強度)能力，當永磁體沿著一定方向拉拽時，磁性顆粒就會沿著該方向進行排布，形成一個梯度均勻的磁場，這時再將磁場轉換為旋轉磁場，史萊姆機器人就會自然而然地卷曲。

這一發現意味著史萊姆機器人的功能又上了一個臺階——通過卷曲行為來抓取和包裹物體。原來，這團小小的黏液不僅能“動”，還非常靈活!

超凡身手，繼續點亮技能樹

視覺效果酷炫的史萊姆機器人，絕不僅僅是好玩而已。

“香港中文大學醫學院在消化道方面的研究一直走在世界前列，得益于與醫學院的合作，我們的研究重點之一就在于，如何將史萊姆機器人應用于人體消化道。”張立向《中國科學報》介紹道。

在關于史萊姆機器人應用的設想中，由于其形態小巧、材質柔軟，具有很好的變形能力和環境適應性，它能夠在消化道內自由移動，快速進入傳統內窺鏡難以到達的部位(如小腸)，且不會對人體器官或組織造成傷害。同時，它的卷曲和包裹能力有助于從消化道中取出意外吞食的異物，實現無創的遙控“手術”。

不過，要讓史萊姆機器人從實驗室“卷”向臨床，還有一些關鍵性問題有待解決。

“臨床的第一要義是確保安全性。”張立表示。細胞毒性測試結果顯示，史萊姆機器人內部的磁性顆粒具有一定毒性，如果進入人體消化道，就必須將這種毒性控制在人體的承受范圍之內。

“目前我們想到的辦法是在史萊姆機器人外面包裹一層二氧化硅，但在未來真正應用之前，還需要進一步嚴格地驗證。”孫猛猛補充道。

另外，他們還希望賦予史萊姆機器人像“毒液”一樣的智慧。

目前，史萊姆機器人的運動還需要通過外部磁鐵來進行人為操縱，但在動態復雜的消化道環境中，人為操縱顯然力不從心。因此，科學家們希望實現史萊姆機器人的智能化，讓它能在醫生的指導下進行自主決策和執行，在消化道里“自動駕駛”，暢通無阻地開展疾病診療。

張立強調，史萊姆機器人的舞臺還可以更廣大。

“在人手乃至機械臂都難以適應的極端環境中，比如外太空，可以使用更大更強的磁鐵，對磁性物體進行更遠端的操控。在這方面，史萊姆機器人或許可以發揮它的優勢，特別是在一些狹小空間內進行操作任務。”他說。

“上書架”或“上貨架”，研究都有意義

作為論文的第一作者，孫猛猛承擔了研究的整體構思與設計工作。去年秋天，孫猛猛從哈爾濱工業大學來到香港中文大學。

哈爾濱工業大學嚴謹務實的研究氛圍，和香港中文大學對天馬行空idea的鼓勵，給孫猛猛創造了良好的探索環境。“我們的史萊姆機器人，現在還是一個初步的創新階段，但我們也在腳踏實地地向應用方向推進”。

這種務實與創新的碰撞，在張立看來，恰恰體現了應用研究與基礎研究的同等重要性。

“通俗地講，基礎研究做得好叫‘上書架’，應用研究做得好叫‘上貨架’，不論‘上書架’還是‘上貨架’，只要做得好，我覺得都非常有意義。”張立說。

作為香港中文大學—中國科學院深圳先進技術研究院機器人與智能系統聯合實驗室的港方主任，張立一直致力于促進香港與內地的科研合作。

“我們與內地一直有很好的合作關系，大家發揮各自的特長，積極合作，一定可以在國際舞臺上占有一席之地，而且對我們來說，這個舞臺只會越來越大。”他說。

參考鏈接：

https://inews.co.uk/news/science/scientists-create-magnetic-slime-robot-retrieve-accidentally-swallowed-objects-1553802

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202112508

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