一種新型水母啟發的軟體機器人，藉助磁力驅動系統和優化的運動波形，能夠以創紀錄的速度在水中移動，同時執行複雜的生物醫學任務。這款名為水母磁性軟體機器人（J-MSR）的設備，旨在模仿真正水母的運動方式，透過協調的收縮和放鬆來實現。它不使用內置電源，而是通過外部的磁場進行控制，這使得它保持輕便靈活，並且在流體環境中仍能實現高速推進。為了提高性能，研究團隊使用 COMSOL 進行了完全耦合的磁流體固體模擬，以調整多個參數，包括磁通密度和運動的時間相位。
其目標是減少阻力，增強向前推力，而不依賴笨重的浮力系統。優化方法專注於創建一種不對稱的運動模式，類似於自然水母的運動，其中收縮階段比恢復階段更快。這種不平衡有助於在保持滑行階段穩定的同時，向後推送更多流體，從而提高整體效率。「自然水母通過創造空間和時間的不對稱性來游泳——它們的收縮階段比恢復階段更快，並且掃描的範圍更大，」該研究的通訊作者曹全亮教授解釋道。「我們模仿了這一策略，使用不對稱的梯形磁場波形，但我們不僅僅是簡單地模仿。
我們系統地優化了六個波形參數，包括正負磁通密度以及預載、收縮、滑行和恢復階段的持續時間。」
工程化運動控制
在優化的波形下，這款機器人達到了每秒 14.85 倍身體長度的游泳速度，儘管它的浮力為負，且比水的密度高出超過 0.4 g/cm³。該設計避免了輔助浮力結構，這通常會增加軟體水下機器人的阻力。「我們相信這一平台將為微創診斷和治療開啟新的可能性，從胃部檢查到靶向藥物輸送，所有這些都不需要內置電源或連接，」曹教授表示。該系統還顯示出比早期水母啟發的機器人更好的性能，其中一些機器人的速度約為每秒 10 倍身體長度。
研究人員表示，這一增益來自於快速收縮和精心調整的滑行階段的組合，從而減少了阻力。「而且，關鍵在於，我們在沒有任何輔助浮力結構的情況下實現了這一點，這些結構會增加阻力並降低空間效率，」姚琳教授説。
除了速度，J-MSR 還可以在多種運動模式之間切換。通過調整內部磁化模式和使用三軸赫爾姆霍茲線圈系統，這款機器人能夠在 0° 到 122° 的角度移動，滾動、攀爬坡道以及導航狹窄或曲折的路徑。
在使用豬胃模型的測試中，機器人證明不同的運動模式對於導航複雜的內部結構至關重要。僅僅滾動無法在狹窄的摺皺中運行，但結合垂直浮動和水平游泳則能成功通過。機器人還集成了一個中央 10 毫米的腔體，用於運載傳感器或醫療工具。在演示中，它能夠攜帶 LED、無線線圈和微針，而不影響推進效率。
研究人員還展示了使用雙頻磁場的無線供電和功能激活。低頻磁場控制運動，而高頻磁場則啟用機載功能，例如加熱或信號生成。
在一項實驗中，變密度系統使機器人能夠暫時膨脹並通過低沸液體的蒸發改變浮力。這使得它能夠夾住物體，然後在攜帶它們的同時上升。在生物醫學測試中，連接到機器人的微針在胃模型中達到了 4.4 ± 1.85 毫米的靶向精度。該系統還與膠囊內窺鏡設置配合使用，能夠傾斜最多 21.8 度，以捕捉胃部環境中的多個視角。研究人員表示，未來的工作將專注於完全的 3D 控制、基於機器學習的優化和醫療用途的閉環自主導航。
這項研究突顯了軟體機器人如何將流體動力學、磁力控制和生物醫學功能結合到單一平台中，而無需內置電源。該論文《水母啟發的超快多功能磁性軟體機器人用於生物醫學應用》已發表在《Cyborg and Bionic Systems》上。