用于水質(zhì)和病毒監(jiān)測的電驅(qū)動軟體機器人開發(fā)

微小型軟體機器人是近年來機器人領(lǐng)域的重要分支，在狹小空間工程探索、生物體內(nèi)藥物遞送、體內(nèi)醫(yī)療診斷等領(lǐng)域扮演著重要角色。近日，香港城市大學(xué)于欣格團隊聯(lián)合大連理工大學(xué)解兆謙、北京航空航天大學(xué)常凌乾教授，合作開發(fā)了一款無源無線的電驅(qū)動軟體機器人。

該軟體機器人系統(tǒng)從無線化設(shè)計和多功能傳感入手，實現(xiàn)了小型化軟體機器人在封閉空間中對液體環(huán)境的物理、化學(xué)和生物各項指標(biāo)的無線化監(jiān)測。研究成果以Battery-free, wireless, and electricity-driven soft swimmer for water quality and virus monitoring（用于水質(zhì)和病毒監(jiān)測的無電池、無線、電力驅(qū)動的軟體游泳機器人）為題，于2024年1月10日發(fā)表于Science開放獲取子刊Science Advances雜志。

小尺寸機器人有能力在狹小和封閉空間中運動穿梭，因此，小尺寸機器人是在此類場景下（包括生物體內(nèi)）執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測或生物醫(yī)學(xué)檢測的一個理想裝置。

為實現(xiàn)此類任務(wù)，機器人裝置首先需要是無線的，任何繩索的牽絆都會限制其自由運動，這就要求機器人驅(qū)動和傳感數(shù)據(jù)讀取必須是無線化的；另外，機器人需具備多重傳感能力，傳感指標(biāo)的多少關(guān)系到機器人監(jiān)測能力和智能化的強弱；如此多的功能要求往往依靠于在機器人系統(tǒng)之中集成更多的模塊，而這勢必對機器人的小型化帶來挑戰(zhàn)。

針對上述問題，研究團隊利用純電學(xué)方式開發(fā)出了一款小型的、無線的、無電池的、電驅(qū)動機器人系統(tǒng)，可在封閉的水環(huán)境中實現(xiàn)多項指標(biāo)的監(jiān)測。首先，通過射頻供電方式，電驅(qū)動機器人系統(tǒng)不需要安裝電池就可以在封閉空間中不受束縛的運動，在特定驅(qū)動頻率下，機器人可展現(xiàn)出諧振特性，并進行快速地游動。無電池化設(shè)計避免了機器人系統(tǒng)在尺寸和重量上的增加。

進一步地，該系統(tǒng)采用了柔性電子技術(shù)，集成了薄型輕質(zhì)的多功能生物化學(xué)傳感器和無線化數(shù)據(jù)采集模塊，傳感器可對水中離子和病毒濃度進行檢測，所有檢測數(shù)據(jù)均同步傳輸，并通過近場通信技術(shù)顯示在智能手機圖形用戶界面上，最終實現(xiàn)對水質(zhì)和病原體污染情況的實時評估。

無源無線軟體機器人監(jiān)測系統(tǒng)的總體構(gòu)造和功能圖

該研究以管道場景為例子，展現(xiàn)了此小型軟體機器人系統(tǒng)在封閉環(huán)境下對溫度、離子和病毒的檢測能力。該研究展現(xiàn)了在封閉空間下，機器人驅(qū)動的無線化和無電池化，并且無需取出機器人裝置即可無線化地讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)。此無線化技術(shù)，亦可用于開發(fā)體內(nèi)生物醫(yī)用軟體機器人系統(tǒng)，以實現(xiàn)機器人的體內(nèi)監(jiān)測和體內(nèi)主動醫(yī)療功能。

香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系于欣格教授、大連理工大學(xué)力學(xué)工程系解兆謙教授、北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院常凌乾教授為論文通訊作者。論文共同第一作者為香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系研究員李登峰、博士生周靖昆和黃星燦、博士后李虎，以及大連理工大學(xué)力學(xué)工程系博士生趙紫晨。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃、香港研究資助局、香港創(chuàng)新科技署、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。

審核編輯：劉清