研究背景与挑战 - 磁驱软体微机器人集远程无线驱动、柔性顺应形变、精确编程调控等优势于一体，在生物医疗等领域展现出广阔应用前景 [1] - 在高度受限、强干扰且动态变化的复杂环境中执行长时序、多步骤作业任务时，现有微机器人难以同时兼顾环境适应、自主决策与高精度运动控制，往往依赖预设程序或人工切换 [1] - 赋予微机器人“物理形态-作业功能”共融的自主决策和运动能力，使其能自主匹配最佳运动模态并保持高精度稳定作业，是迈向更高水平自主化应用的重要挑战 [2] 技术灵感与核心创新 - 研究灵感来源于自然界中鸵鸟、袋鼠、灵长类动物等生物随环境变化自主调整运动方式的能力，特别是猿猴在复杂地形中通过调整有效支撑点数量，在多种“支点行走”模态间灵活切换的行为 [1][3] - 北京理工大学王化平教授团队受生物“支点行走”启发，创新性地提出了一种“环境-任务事件驱动”的磁驱微机器人多模态自主切换和运动控制方法 [4][5] - 该方法突破了传统开环/半自动控制中环境适应、任务执行与运动控制相互割裂的局限，赋予了微机器人在复杂地形中通过自主导航捕获目标的能力 [5] 机器人设计与运动模态 - 微机器人采用独特的中心对称“三支点”构型，通过非均质磁化编程实现两种可动态切换的形变状态：向内卷曲形成“前向闭合”以包裹目标，向外舒展形成“反向支撑”以支撑行走 [6] - 围绕不同形态与任务需求，团队设计了包含小幅步进（Minuet）、大步跨越（Stride）、包裹行走（Wrap）等在内的6种基础支点行走模态，并集成了面向宽沟壑跨越的弹跳（Jumping）序列 [9] 分层控制框架 - 团队构建了上下两层协同控制框架 [11] - 决策上层引入了基于离散事件的有限状态机（E-FSM），将环境约束和任务状态抽象为事件，结合视觉反馈自主完成运动模态的选择与切换 [11] - 执行下层采用高斯过程（GP）辅助的步态参数优化，并结合滑模控制方法调节关键磁场驱动参数，以在环境扰动下实现高精度、强鲁棒性的路径跟随 [11] 实验验证与性能表现 - 在变径隧道通行实验中，机器人可根据实时检测到的空间约束，从高姿态的Stride模式自主切换至低矮的Wrap模式，稳定通过收缩通道 [13][16] - 在沟壑跨越实验中，当沟壑尺度超出常规步幅时，机器人可自主切换运动模式并执行弹跳序列，实现对超过自身长度3倍沟壑的跨越 [17][18] - 在路径跟踪测试中，机器人在直线、锯齿、阶梯、正弦、圆形5种预设路径的跟随误差可控制在体长的5%以内，表现出较好的路径跟踪精度 [20][22] - 在多形状目标抓取与运输实验中，面对球体、八面体和立方体等目标，微机器人可自主完成目标接近、姿态对准、抓取包裹、运输及释放等操作 [24][25] 综合场景应用潜力 - 在包含狭缝、斜坡和沟壑的复杂迷宫地形中，微机器人能够自主完成地形通行、目标接近、抓取包裹、跨障运输与定点释放等连续操作，展现了应对长时序、多步骤任务场景的自主性与稳定性 [28][29] - 在不透明且存在黏液干扰的离体猪胃环境中，基于二维超声反馈实现了微机器人的定位导航、形态切换与目标抓取运输，初步展示了其在微创介入场景（如病灶取样、异物清除）中的应用潜力 [31][33] - “环境-任务共融”自主控制思路为生物医学介入场景中的磁驱微机器人提供了新的技术路径，也为复杂非结构环境中执行多步骤任务的“特种作业微机器人”发展提供了新思路 [34] 未来应用方向 - 未来，“环境-任务共融”微机器人有望在消化道迂曲管腔病灶活检与异物清除、血管精准给药与栓塞治疗、狭小裂缝结构探查与微量样本采集等方向展现更大的应用潜力 [34]