鱼群多样性启发！北理工团队发表Science子刊新作，让微机器人像鱼群一样“各司其职”

你是否观察过珊瑚礁中形态各异的鱼群？

身体呈流线型的捕食者迅捷穿梭，细长身形的鳗鱼巧妙钻入缝隙——它们虽共处同一片水域，却因身体结构不同，演化出截然不同的游动方式。如今，自然界这份“形态即功能”的智慧，被学者融入微机器人的设计中。

近日，北京理工大学王化平教授团队受鱼群形态多样性的启发，开发出形态可编码的多软体微机器人系统，只需调整微机器人的“身材比例”，就能让它们在相同的磁场信号下实现“各司其职”的选择性控制。

该研究成果在国家重点研发计划（2023YFB4705400）的支持下，以《Fish-Diversity-Inspired Multiple Soft Millirobots System with Morphology-Encoded Selective Control》为题，发表在Science子刊《Science Advances》上。

磁驱软体微机器人以其高精度与高安全性在生物医疗等领域展现出广阔应用前景。然而，让多个微机器人在人体内复杂的腔道环境（如胃肠道）中协同工作，一直是个巨大挑战。传统的控制方法，往往需要为每个机器人定制不同的控制信号，或者依赖复杂的环境改造（如预设环境、梯度磁场等），这在动态的生理环境中难以实现。

研究团队将目光投向了海洋。

他们发现，鱼群中不同形态的鱼类，即使在相同的水流中，也会因身体比例、轮廓的差异而产生截然不同的游动性能。这启发了他们：能否将“形态差异”作为控制密码，让机器人自己决定如何响应统一的指令？

鱼类的游动效率与其身体形态，尤其是头身比密切相关。大多数鱼类通过身体和尾鳍的波动产生推力，这种波动模式根据身体变形程度可分为多种类型，如鳗鲡模式、鲹科模式等。

研究团队发现，鱼类头身比的差异会直接影响其身体波动波的传播动力学，从而决定推进效率。这种由“形态编程”运动能力的自然法则，成为了他们设计机器人的核心蓝图。

鱼类多样性启发的仿生鱼软体微机器人设计

基于这一原理，团队采用电沉积技术，制造出形态可编程的磁性微机器人。每个机器人由两部分组成：磁响应的前部模块和柔软被动的后部模块。通过调整这两个模块的长度比例和整体轮廓，就能像定制鱼的身体一样，为机器人赋予不同的“形态”。

研究中，团队特别展示了三种具有代表性体型的鱼类：身体细长的泥鳅、体型匀称的鳉鱼以及小巧灵活的灯鱼，并成功制造出与之对应的三种微机器人原型。实验显示，这些仿生机器人的游动姿态与真实鱼类的中线波形相似度超过85%，成功复现了自然界的精妙运动。

微机器人仿鱼游动

研究团队发现，不同的形态本身就是一种“控制指令”。当一群形态各异的微机器人被置于同一个均匀振荡磁场中时，它们会对磁场的频率产生差异化的响应。

例如，一个前后比为1:4（前短后长）的机器人，可能在3-6赫兹的高频下才能有效启动；而一个前后比为1:1（前后等长）的机器人，在1-6赫兹的宽频范围内都能运动；前后比为4:1（前长后短）的机器人则更适应中间频段。

形态编码微机器人运动性能

这意味着，操作者只需简单地调节磁场的频率，就能像切换电台频道一样，选择性地激活特定形态的机器人，让它们“单独行动”、“结对而行”或“集体出动”，而无需为每个机器人单独生成复杂的控制信号。

这种基于形态差异的自然筛选机制，巧妙地解决了在均一场中对多机器人进行独立控制的难题。

体外环境下微机器人选择性控制

为验证实际应用潜力，团队进行了系统的生物实验。

在离体猪胃环境中，三个装载不同颜色荧光颗粒、形态各异的微机器人被放入。通过切换磁场频率，研究成功指挥它们分头行动，分别导航至三个不同目标区域，并精准释放载荷。

为进一步模拟真实生理环境，团队将场景切换到更狭窄的离体大鼠肠道。

三个机器人从肠腔同侧出发，再次通过频率调控，被精确指挥至不同预定位置，完成靶向释放。实验证明，该系统在复杂生物环境中实现多靶点递送具有高度可行性。

大鼠肠道组织封闭环境下多微机器人选择性控制实验

这项研究将生物界的形态智慧转化为工程创新，为未来用于人体内作业的微型机器人集群提供了一种全新、简洁高效的控制范式。

也许不久的将来，一群形态、功能各异的微型机器人将能像体内的“医疗鱼群”一样，在血液或体液中巡游，各司其职，精准执行诊断、给药乃至微手术等复杂任务。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed6170