在工业和医疗领域，微操作技术都扮演着至关重要的角色。该技术在微米级别的精确度下，能够将物体准确地递送到目标区域，为微组装、细胞操作以及靶向治疗等任务开辟了新的途径。然而，由于灵活性欠缺，传统的大尺度机械平台在如人体内等狭小脆弱的环境执行任务时面临诸多困难。

应对这一挑战，研究人员探索了利用不受束缚的微型机器人进行远程控制的微操作任务的可能性，并研发了微爪型、软体型以及推送型等多种微机器人来执行精细操作任务。然而，这些机器人的行为机制大多较为复杂，难以实现稳定且解耦的抓取和释放动作。同时，大多数微型机器人的抓取和释放行为都需要特定手势和方向，这无疑增加了操作复杂性。

微群作为潜在候选者，展现出了可重构性、变形能力和在多种应用中的潜力。然而，它们也面临着一些挑战，如捕获缺乏选择性、释放行为难以与群体和货物运动脱钩，以及实现更高自主性的需求。

▍“制服”微群，实现高精度微操作

对此，香港中文大学张立教授课题组、香港理工大学杨立冬教授和中科院深圳先进技术研究院的徐天添、吴新宇教授团队，前不久联合提出了一种使用可重构微纳机器人集群来进行高精度微操作的方案，并设计了相应算法实现了操作过程的自动化。

该研究巧妙地利用了微纳机器人集群产生的流体场，来吸引并抓捕微米尺度的物体。通过结合先进的运动控制算法，研究团队能够精确地将集群及其携带的物体导航至目标地点。随后，通过切换集群的形态，改变流体场，从而顺利地将货物排出。

为了实现对微操作过程的定量研究和控制，研究人员将操作过程细分为不同的状态，并设计了一个有限状态机来监控和管理这些状态之间的切换。此外，他们还提出了相应的轨迹规划算法和优化算法，实现了对微物体的选择性操作和多物体的最优化搬运，进一步扩展了该技术的广泛应用潜力。

该研究的相关论文已经以“Automated Microrobotic Manipulation using Reconfigurable Magnetic Microswarms”为题发表在《IEEE Transactions on Robotics》杂志上。香港中文大学为论文第一单位，博士后研究员姜佳林为论文第一作者，香港中文大学教授张立以及香港理工大学助理教授杨立冬为通讯作者。共同作者则包括香港中文大学博士生郝博，中科院深圳先进技术研究院的徐天添教授和吴新宇教授。

▍可重构微纳机器人集群与微操作原理

微群由数百万个纳米级Fe3O4粒子组成，并由自制的3D亥姆霍兹线圈系统产生的动态均匀空间磁场驱动，具有涡旋和带状两种模式以捕获和释放物体。当外部施加不同形式的交变磁场时，磁性颗粒也会形成不同形式的微纳集群。如图1所示，当施加一个旋转磁场的时候，颗粒会像漩涡一样形成一个圆形集群；而当施加一个震荡场的时候，粒子又会排列成条带状的集群。这两种集群拥有着不同的流体场，而且可以动态切换。利用这些特点，研究人员实现了简单稳定的货物捕捉和释放。

图1 可重构的微纳机器人集群。（a）在旋转场下形成的漩涡状集群。（b）在震荡场下形成的条带状集群。（c）两种集群可以在不同磁场下进行动态切换。

如图2所示，研究人员采用仿真的方法，对两种集群的流体场分布进行了深入分析。旋涡集群的流体现出典型的旋涡状结构，其中速度差异所产生的压强效应，使得物体被“吸引”至旋涡区域并被集群有效捕捉。相比之下，条带集群内部由于粒子震荡所产生的交变场，则表现出一种将内部物体排出集群区域以外的趋势。

图2 微纳集群流体场的仿真以及货物的捕捉和释放。（a）和（b）分别展示了漩涡集群和条形集群的流体场，（c）和（d）演示了集群捕捉和释放聚苯乙烯微球的过程。图中比例尺为500微米。

▍有限状态机与自动化微操作

如图3所示，微操作的过程被定量划分为了5个状态：case0-case4，以便后续的算法设计和自动化控制。

case0：该状态为初始状态。微纳集群和目标物体的位置被确定，之后集群会在算法控制下向目标物体运动。当集群运动到目标物体附近之后，系统状态会切换为case1。

case1：在该状态下集群已运动到目标物体的邻域并开始捕捉。由于目标物体会受到集群旋涡流体场影响而运动，研究团队使用了卡尔曼滤波器预测物体的轨迹来加速捕捉过程。相关的视觉算法会实时判断目标物体状态。当算法判断物体已经被集群捕捉，则系统状态切换为case2。

case2：该状态用来保证捕捉的稳定性。由于各种扰动的存在，被集群捕获的物体可能会脱离集群的流体场范围。在该阶段，集群会保持静止，如果在一定时间内视觉检测持续判断物体被捕捉，则系统切换至case3，否则回退至case1重新捕捉。

图3 操作过程被细分为了不同的状态，并在满足了不同条件的情况下相互切换

图4 （a）-（b）直径150微米和75微米的两个聚苯乙烯微球的微操作过程。（c）-（d）绘制了微操作过程中的集群和物体坐标，背景颜色标注了相应的系统状态。

case3：在该阶段集群被导航至目标区域。旋涡流体场可以束缚并搬运物体跟随集群运动。运动控制器的鲁棒性保证了在携带物体的情况下集群依然可以被稳定精确控制。

case4：当集群运动至目标地点的时候系统切换至case4。磁场也切换成震荡场来形成条形集群。在相应的交变流体场的作用下物体被排出集群，实现了释放。

研究团队使用了不同尺寸的聚苯乙烯微球来验证了微操作算法的有效性。如图4所示，两个微球均被精准递送到了目标区域。整个过程中集群和微球的坐标在（c）和（d）中被绘制，同时系统所处的不同状态也以背景颜色的形式标注在了图中。结果表明，所提出的有限状态机可以有效的监控微操作的过程并实现自动化的定量控制。

▍集群的选择性操作

当工作区域存在多个相同物体，并且物体之间距离较近的时候，微纳集群可以实现精准的，选择性的定点操作。如图5所示，两颗聚苯乙烯微球彼此靠近，右侧微球被选为目标物体。轨迹规划算法可以规划路径避开非目标物体的同时接近目标小球，实现选择性捕捉之后，将目标小球搬运至目标区域。

图5 对于相近聚苯乙烯微球的选择性操作。

▍类迷宫环境中的远距离操作

使用微纳机器人进行微操作的优势在于可以非接触控制，从而在狭小扭曲的空间中实现远距离操作。为了验证微纳集群的远距离操作能力，研究团队在一个类迷宫环境中进行了实验。

图6 在类迷宫环境中执行远距离操作

迷宫使用一块黑色亚克力板材激光切割而成。整体的操作过程和迷宫环境如图6所示。每一个局部环境中的路径由轨迹规划算法生成，全部的路径长度约为1.6厘米，约为聚苯乙烯微球直径的230倍，以及微纳集群直径的30倍。集群成功搬运了目标物体，穿越了迷宫环境，并将物体释放在了目标区域。

▍结论与展望

研究团队通过结合先进的算法，成功实现了利用微纳米机器人集群进行远距离的微操作，整个自动化微操作过程表现出极高的精准度和稳定性。这一研究成果不仅深入探索了群体机器人学在微纳领域的应用潜力，还为其未来的应用前景开辟了更广阔的空间。

展望未来，研究团队计划将这一创新技术应用于更多实际的工作场景中。特别是在生物医疗领域，例如利用微纳集群进行体内的精准搬运和药物递送，从而实现高效且微创的靶向治疗等前沿医疗应用。

参考文章：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10598230