摘要：Hao, B., Wang, X., Dong, Y.et al.Focused ultrasound enables selective actuation and Newton-level force output of untethered soft r

聚焦超声波可实现无绳软机器人的选择性驱动和牛顿级力输出

Hao, B., Wang, X., Dong, Y. et al.Focused ultrasound enables selective actuation and Newton-level force output of untethered soft robots.Nat Commun15, 5197 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49148-6

（哈尔滨工业大学机械工程及其自动化学院, 广东省智能变形机构与自适应机器人重点实验室）

微型软机器人在多领域应用受限于驱动问题，优势在于安全交互、环境适应性和狭窄空间进入能力；无线系统提升可访问性但限制力输出；新挑战在于有限空间内的有效选驱；无绳选驱难因缺电线/通道；聚焦超声有望解决此问题。 软机器人需牛顿级力执行活检等操作。无线流体致动器通过相变原理实现显著变形和力输出，无需电池且兼容MRI。FUPT方法利用掺杂氧化铁纳米颗粒的弹性体和低沸点液体实现可控变形/运动，可施加高输出力（约5.5 N），满足微创手术需求，并具有毫米级空间选择性驱动能力。适用于生物医学应用的超声波穿透能力已展示在管道内机器人移动液体货物输送及活检任务执行中。开发的控制系统能自动声场对准和控制聚焦超声波，增强FUPT驱动方法适用性。

aFUPT 驱动方法的示意图。bFUPT方法的组织穿透能力。软胶囊可以由穿过组织的聚焦超声场触发。cFUPT方法的空间选择性驱动能力。多单元胶囊和管内软体机器人可以分别实现选择性和按需液体货物输送。dFUPT 方法的机械输出能力大。软机器人可以被驱动来执行肠道内的组织修补和活检任务。

图4：基于FUPT的按需液体货物输送软机器人和多单元软胶囊。

a胶囊单元的结构设计和形象。b一系列图像显示超声波驱动的液体货物通过组织释放（超声波从底部发出并穿过组织到达软胶囊）。c带有胶囊单元的管道内软体机器人的结构示意图。d机器人在直管和弯管中移动的重叠图像。e机器人的步幅与管道曲率半径之间的关系。误差线代表标准差。f叠加图像显示 FUPT 驱动的按需液体货物交付和释放过程。克多单元软胶囊的结构设计。h一系列图像展示了通过将高强度声场与不同的腔室对齐来选择性释放液体货物。

新型聚焦超声控制相变（FUPT）技术驱动自由软机器人，具有毫米级精确度和牛顿级力输出，适用于生物医学和水下环境。FUPT技术验证了通过简单变形模式的无束缚管道内机器人，用于液体货物输送和释放。针对活检和组织修补，开发了多功能软性机器人，突出FUPT的机械输出优势。结合超声成像的控制系统实现了精确控制和自动对准声场焦点。FUPT还能与磁共振测温集成，以实现精确温度控制。未来研究将降低水蒸气透过率并增强环境适应性，扩展FUPT软机器人在生物医学和工业领域的应用。

来源：医学镜界