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因可通过外部磁场远程操控而展现出重要应用潜力。然而，微型机器人往往面临“功能多样性”与“控制简洁性”难以兼顾的问题：刚性结构易于稳定控制，却难以适应复杂任务；软体结构具有较强形变能力，但控制自由度高、承载能力有限。

近日，清华大学深圳国际研究生院先进制造领域生物制造工程实验室弥胜利教授团队围绕这一挑战开展系列研究，分别在多模态跨尺度操作和亚毫米尺度原位感知方面取得进展。两项研究共同构建了从毫米到亚毫米尺度的无约束式磁控机器人技术路径：前者通过铰接模块提升多模态与跨尺度操作能力，后者进一步实现微型驱动器的模块化构建、环境感知与复杂操作。

针对微型机器人难以同时兼顾结构鲁棒性与形态适应性的难题，团队提出了由旋转关节连接离散刚性模块的铰接式磁性驱动器设计范式。该策略以模块化结构为基础，通过在刚性单元之间引入可控关节，使驱动器在保持稳定机械性能的同时获得按需重构能力。更重要的是，驱动器的运动与模式切换均可由单一、均匀的外部磁场完成，无需依赖复杂的空间变化磁场，从而有效降低了控制系统复杂度。

图1 铰接式磁性驱动器的模块化设计范式与核心控制机制

基于该设计，团队开发了磁性螳螂、磁性鹈鹕、磁性镊子和磁性夹子等代表性原型。它们可完成爬行、滚动、抓取、储存、搅拌、释放和货物运输等多种操作，并显示出跨尺度应用潜力：既可在微观尺度的弯曲血管模型中灵活导航，也可在离体猪胃模型中克服复杂生理阻碍，实现靶向货物递送。

图2 磁驱执行器在复杂迷宫与离体猪胃模型中的靶向递送应用展示

相关成果以“面向多模态与跨尺度操作的铰接式无约束磁控驱动器”（ Articulated Untethered Magnetic Actuators for Multimodal and Cross-Scale Operations）为题，发表于《类生命系统》（Cyborg and Bionic Systems）。

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

在此基础上，团队进一步将研究拓展至亚毫米尺度无约束磁控驱动器的构建、运动感知与按需操作。研究人员提出基于过盈配合的模块化装配策略：利用高精度3D打印微结构构成驱动器的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“无线动力单元”。微结构内壁的单向固定特征能够通过机械互锁稳固锚定磁性像素，使不同构型的亚毫米驱动器得以快速、可靠组装。

图3亚毫米无约束磁控驱动器的磁像素构建策略

研究发现，在不同黏度模型液体中，当外加磁场强度超过维持稳定运动的临界值后，驱动器速度会随驱动频率近似线性变化，而速度—频率关系又与环境黏度密切相关。这意味着，驱动器可在运动和执行任务的同时，通过自身运动状态对局部液体黏度进行半定量感知。团队还展示了促进模型染料扩散和定向运输、原位黏度测量、软质模型障碍物机械碎解，以及刚柔协同夹爪抓取、运输与释放货物等功能。

图4“刚柔并济”型复合磁驱抓取器的货物递送应用展示

未来，团队将结合医学成像、闭环控制和智能算法，推动无约束式磁驱执行器与机器人在复杂生物流体、动态流场及非均一组织环境中的自主导航、实时感知与精准操作研究，为微创诊疗和智能医疗器械发展提供新的技术支撑。

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，发表于《先进材料》（Advanced Materials）。

该论文第一作者为赵笑宇，通讯作者为弥胜利，其他作者为陈之贤和刘莹。

论文链接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0560

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

图/文：赵笑宇、陈之贤

编辑：叶思佳

审核：林洲璐