你是否觀察過珊瑚礁中形態各異的魚群？

身體呈流線型的捕食者迅捷穿梭，細長身形的鰻魚巧妙鉆入縫隙——它們雖共處同一片水域，卻因身體結構不同，演化出截然不同的游動方式。如今，自然界這份“形態即功能”的智慧，被學者融入微機器人的設計中。

近日，北京理工大學王化平教授團隊受魚群形態多樣性的啟發，開發出形態可編碼的多軟體微機器人系統，只需調整微機器人的“身材比例”，就能讓它們在相同的磁場信號下實現“各司其職”的選擇性控制。

該研究成果在國家重點研發計劃（2023YFB4705400）的支持下，以《Fish-Diversity-Inspired Multiple Soft Millirobots System with Morphology-Encoded Selective Control》為題，發表在Science子刊《Science Advances》上。

01.

集群控制：從“眾機一面”到“因形施控”

磁驅軟體微機器人以其高精度與高安全性在生物醫療等領域展現出廣闊應用前景。然而，讓多個微機器人在人體內復雜的腔道環境（如胃腸道）中協同工作，一直是個巨大挑戰。傳統的控制方法，往往需要為每個機器人定制不同的控制信號，或者依賴復雜的環境改造（如預設環境、梯度磁場等），這在動態的生理環境中難以實現。

研究團隊將目光投向了海洋。

他們發現，魚群中不同形態的魚類，即使在相同的水流中，也會因身體比例、輪廓的差異而產生截然不同的游動性能。這啟發了他們：能否將“形態差異”作為控制密碼，讓機器人自己決定如何響應統一的指令？

02.

設計仿生：微機器人如何復現魚類的游動智慧

魚類的游動效率與其身體形態，尤其是頭身比密切相關。大多數魚類通過身體和尾鰭的波動產生推力，這種波動模式根據身體變形程度可分為多種類型，如鰻鱺模式、鲹科模式等。

研究團隊發現，魚類頭身比的差異會直接影響其身體波動波的傳播動力學，從而決定推進效率。這種由“形態編程”運動能力的自然法則，成為了他們設計機器人的核心藍圖。

魚類多樣性啟發的仿生魚軟體微機器人設計

基于這一原理，團隊采用電沉積技術，制造出形態可編程的磁性微機器人。每個機器人由兩部分組成：磁響應的前部模塊和柔軟被動的后部模塊。通過調整這兩個模塊的長度比例和整體輪廓，就能像定制魚的身體一樣，為機器人賦予不同的“形態”。

研究中，團隊特別展示了三種具有代表性體型的魚類：身體細長的泥鰍、體型勻稱的鳉魚以及小巧靈活的燈魚，并成功制造出與之對應的三種微機器人原型。實驗顯示，這些仿生機器人的游動姿態與真實魚類的中線波形相似度超過85%，成功復現了自然界的精妙運動。

微機器人仿魚游動

03.

形態即指令：調頻即可“點兵遣將”

研究團隊發現，不同的形態本身就是一種“控制指令”。當一群形態各異的微機器人被置于同一個均勻振蕩磁場中時，它們會對磁場的頻率產生差異化的響應。

例如，一個前后比為1:4（前短后長）的機器人，可能在3-6赫茲的高頻下才能有效啟動；而一個前后比為1:1（前后等長）的機器人，在1-6赫茲的寬頻范圍內都能運動；前后比為4:1（前長后短）的機器人則更適應中間頻段。

形態編碼微機器人運動性能

這意味著，操作者只需簡單地調節磁場的頻率，就能像切換電臺頻道一樣，選擇性地激活特定形態的機器人，讓它們“單獨行動”、“結對而行”或“集體出動”，而無需為每個機器人單獨生成復雜的控制信號。

這種基于形態差異的自然篩選機制，巧妙地解決了在均一場中對多機器人進行獨立控制的難題。

體外環境下微機器人選擇性控制

04.

精準遞送：從離體組織到狹窄腸腔

為驗證實際應用潛力，團隊進行了系統的生物實驗。

在離體豬胃環境中，三個裝載不同顏色熒光顆粒、形態各異的微機器人被放入。通過切換磁場頻率，研究成功指揮它們分頭行動，分別導航至三個不同目標區域，并精準釋放載荷。

豬胃組織開放環境下微機器人選擇性控制實驗

為進一步模擬真實生理環境，團隊將場景切換到更狹窄的離體大鼠腸道。

三個機器人從腸腔同側出發，再次通過頻率調控，被精確指揮至不同預定位置，完成靶向釋放。實驗證明，該系統在復雜生物環境中實現多靶點遞送具有高度可行性。

大鼠腸道組織封閉環境下多微機器人選擇性控制實驗

這項研究將生物界的形態智慧轉化為工程創新，為未來用于人體內作業的微型機器人集群提供了一種全新、簡潔高效的控制范式。

也許不久的將來，一群形態、功能各異的微型機器人將能像體內的“醫療魚群”一樣，在血液或體液中巡游，各司其職，精準執行診斷、給藥乃至微手術等復雜任務。

論文鏈接：

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