清华新闻网8月14日电 在微创诊疗、靶向递送和体内感知等场景中，无约束式磁控微型执行器与机器人可借助外部磁场实现非接触和远程驱动，有望进入传统器械难以抵达的狭小空间。然而，面向复杂生理环境，如何在有限尺寸内同时实现稳定运动、功能多样性与控制简洁性，仍是该领域的重要挑战：刚性执行器结构稳定、易于建模和控制，但功能通常单一；软体执行器形变能力强、环境适应性好，却往往自由度高、负载受限且控制复杂。

近日，清华大学深圳国际研究生院生物制造工程实验室弥胜利教授团队围绕上述问题开展系列研究，从功能模块化和结构关节化两个层面探索无约束磁驱执行器的设计与控制。在亚毫米尺度执行器研究中，团队提出基于过盈配合的模块化装配策略：利用高精度3D打印微结构构成功能模块和连接界面，并将嵌有钕铁硼颗粒的磁性像素作为可按需响应外部磁场的“磁动力单元”。微结构内壁设置单向固定特征，通过过盈配合、机械互锁和界面摩擦共同提高装配稳定性，使不同构型的亚毫米执行器能够快速、可靠组装。

图1.亚毫米无约束磁驱执行器的模块化构建、结构设计与功能示意

这一构建方式将结构制造与磁功能赋予过程解耦：研究人员可先采用高分辨率光固化3D打印获得复杂且具有一定刚度的微结构，再装配预先磁化的磁性像素，从而规避磁性颗粒对直接复合打印带来的光散射和颗粒沉降等限制。基于该磁像素组装策略，团队构建了螺旋、滚刀、狼牙棒以及旋转黏度感知等多种结构，使磁驱执行器不再局限于单一几何形态（图1）。

图2.磁驱执行器的增强扩散、定向运输与原位黏度感知

研究团队进一步系统考察了执行器在不同黏度液体中的运动规律。在1–975 cP的模型液体中，当外加磁场强度超过维持稳定运动所需的临界值后，执行器速度随驱动频率近似线性变化，而速度‑频率曲线的斜率与环境黏度呈稳定的反向关联。由此，执行器不仅可以“动起来”，还能将自身运动状态转化为对周围液体物性的感知信号：在低至中等黏度区间，该方法可用于较准确地估计黏度；在更高黏度环境中，则更适合进行趋势判断和区间识别。针对高黏度液体的定量测量，团队又借鉴旋转黏度计原理设计专用执行器，在约500–4200 cP范围内实现原位黏度测量，形成了“运动感知”与“旋转测量”两种互补模式（图2）。

在运动与操作能力方面，执行器在不同黏度环境中的最大爬坡角均超过45°，最高可达55°，并能够在狭窄通道中完成多种预设轨迹导航。功能验证显示，程序化往复运动可促进模型溶液中的染料快速扩散并实现定向运输；滚刀和狼牙棒仿生结构可通过连续旋转对软质模型障碍物进行机械破碎，并在离体商业血栓模型上表现出持续接触和局部结构破坏能力。团队还将狼牙棒式刚性执行器作为“手指”，与章鱼状软磁弹性基底形成“手掌”，构建刚柔协同磁驱夹爪（图3）。该夹爪负载能力可达自身重量的5.6倍，并可在磁场控制下完成定位、抓取、运输、释放和回收等连续操作。

图3.“刚柔并济”型复合磁驱抓取器的货物递送应用展示

上述成果使亚毫米磁驱执行器从单纯的“运动单元”进一步拓展为兼具环境感知与按需操作能力的微型平台。尤其是将黏度感知、定向运输、机械操作和货物抓取集成于不同功能构型中，为未来在受限腔体和复杂生物流体环境中发展“感知–决策–操作”一体化策略提供了新的设计思路。

相关成果以“实现按需操作与原位黏度感知的亚毫米尺度无约束式磁控驱动器”（ Submillimeter‑Scale Untethered Magnetic Actuators Enabling on‑Demand Manipulation and In Situ Viscosity Sensing）为题，于8月5日发表在《先进材料》（Advanced Materials）。

该论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2023级机械工程专业博士生赵笑宇，通讯作者为弥胜利教授。其他作者包括2026届机械专业硕士毕业生陈之贤和2026届生物医学工程专业硕士毕业生刘莹。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202516790

供稿：深圳国际研究生院

编辑：李华山

审核：王晓霞