是具身智能外围！北大高真切物理仿真 加持磁性微米级机器人登Nature子刊 懂物理

日前，北京大学智能学院可视计算与学习试验室陈宝权传授团队与苏黎世联邦理工学院肥壮科技系转化医学钻研所Simone Schürle-Finke传授团队倒退协作，初次经常使用物理模拟技术辅佐可编程磁性微米级机器人的制作。

关系钻研论文《Programming Structural and Magnetic Anisotropy for Tailored Interaction and Control of Soft Microrobots》宣布在Nature子刊《Communications Engineering》上[1]，并作为编辑精选取得了为期一个月的介绍。

钻研成绩取得Nature Communications Engineering介绍

20世纪60年代，科幻片《神奇旅程》（Fantastic Voyage）第一次性用影像向人们描画了「微型医生」的场景：应用微缩科技进入人体外部修复受损的细胞。

半个多世纪过去，这一由美国驰名物理学家Richard Feynman所提出的大胆想象正在一步步走向事实。

或者在不远的未来，经常使用微型机器人监测人体肥壮状况、及时识别与消融肿瘤等病灶将成为人们司空见惯的医疗手腕。

为了成功消息时代这一关键技术打破，由Schürle等生命迷信上班者和陈宝权等智能计算迷信专家组成交叉钻研团队，正在不懈探求、稳步推动。

因为人体外部环境的复杂精细，微型机器人在动物医药畛域的运行常年以来遭到宽泛的注重。

为了顺应血管环境、启动动物传感以及药物保送等精细化作业，除尺寸必定限于微米级别外，机器人还必定具有外形多样、可无接触控制等特点。

由此，21世纪以来，设计制作在磁、光、声等信号的抚慰下能作出反响的微型软体机器人成为了迷信家们关注的焦点。

在各种微机器人的驱动形式中，磁驱动方法因为其可穿透性和对生命体有害性而备受青眼。

但是，受制于各向异性的结构特色，既有的磁性微型机器人存在静止形式繁多且不足交互的疑问，从而极大地限缩了运行价值。

对此，陈宝权和Schürle的团队提出了一种在物理模拟疏导下的通用战略以改良大规模磁微机器人的制备：应用特定磁场中的光聚合，使机器人的结构出现各向异性，从而微机器人集群能够随着外加磁场方向和强度的扭转而作出准确的反应、发生丰盛的行为。

物理模拟指点磁性微型机器人制备概念图。所得微机器人具有不同的外表外形（双合、椭球、球，见左侧）和不同的磁化构型（单链、多链、多盘，见右侧）

磁各向异性微机器人的仿真、制备与剖析

为了探求结构和磁各向异性对混合微机器人个体行为的影响，北京大学钻研者运用格子玻尔兹曼方法以及磁偶极相互作用模型，对微机器人的流体能源学和磁化环节启动模拟。

借助这两种模型，钻研团队得以深化讨论不同结构和磁性各向异性对微机器人个体静止和组装的影响，并成功对个体静止的有效控制。

不同磁化构型（多链、多盘）的机器人对比。左列给出其各向异性阶数，右侧给出一对机器人系统周围的磁感线散布

绿色为双合结构机器人，紫色为单球形结构机器人，此处展现二者组成的系统的流体能源学模拟结果

既往的大规模制备方法仅能发生磁各向异性的微机器人，难以统筹高通量、高精度及高可控性，限度了其静止与集群行为的控制。

苏黎世联邦理工学院钻研者驳回液滴微流控技术和光聚合方法，结合外部磁场疏导，能够制备出具有可编程结构和磁性各向异性的机器人：

该制备方法高效、可裁减且灵敏，能够成功对微机器人多维度的调控，为其在动物医学畛域的运行提供了新的或者性。

第一行给出了纯球形磁化微机器人集群的可变晶体结构，期间序列叠加描画了多盘磁化构型的静止形式；第二行给出了混合外形微机器人集群系统的相分别环节，双合外形的微机器人因为其不凡性质逐渐与中心区域分别

前述双合—球形微机器人系统的显微试验视频

具身智能体的高真切物理仿真与制作

作为一种具身智能体，微型机器人以对环境的感知与反应为关键特色。陈宝权传授指出，透过物理模拟，钻研人员能够提早「预感」和评价所设计机器人的或者静止形式和才干。

近年来，陈宝权传授团队继续将眼光投射到具身智能体的物理仿真上，其中尤以对磁关系现象的物理模拟与可视化为典型代表，在这方面取得了国内上宽泛的关注和协作。

自2020年已来，已有五篇关系论文问世，除前述Nature子刊文章外，均录用至计算机图形学顶刊ACM Transactions on Graphics，并在顶会ACM SIGGRAPH/SIGGRAPH Asia上宣读。

首先，团队钻研磁铁、磁泥、磁流体等磁性物质在磁场作用下静止的正向解算。综合运用水平集法、物质点法、边界元法，陈宝权团队研发了多种可以极速、准确地模拟灵活磁现象的数值算法。

其中，水平集法从第一性原理登程，精准恢复了磁流体的Resensweig不稳固性现象[2]，并能经过引入边界积分方程取得两个数量级的解算速度优化[3]；基于牛顿迭代与物质点法的磁性资料模拟能够在正确解决碰撞和接触的同时，将磁化模型从线性拓展到非线性[4]。

算法模拟结果：磁流体在旋转的匀强磁场作用下静止，构成法令的尖峰结构

算法模拟结果：顶端放有冲浪板小人的磁泥遭到非线性磁化，逐渐淹没磁铁

除了对磁性物质静止的正向模拟外，陈宝权团队的上班也触及关系静止的控制和优化。

例如，经过设计带有硬磁性磁滞回线的薄壳软体机器人并运用随同方法不时梯度降低，团队成功在计算机中复现了麻省理工学院的磁性机器人实在试验结果，并验证了满足该近似条件的机器人所具有的各种外形静止（如爬坡、越障、弹跳等）的才干[5]。

这种基于所谓「时空优化」的技术路途，成为辅佐设计与制备小微机器人的基石。

借助硬磁性薄壳软体模型，在虚构环境中成功复现麻省理工学院机器人试验结果

微型机器人在两种不同虚构地形上的爬坡测试，右上与右下角给出了外加磁场的方向变动

经常使用时空优化技术指点章鱼形机器人穿梭不同边界的垂直管道

经常使用时空优化技术指点章鱼机器人穿梭复杂地形。右上角给出了平均外磁场的强度

在先前的上班中，物理模拟技术被用于定性和定量地剖析不同外部结构的磁性微机器人的能源学个性，但用于辅佐微机器人的实践制作尚属初次。

「但是，成功磁性微型机器人的产业化仍有一段途程要走」，陈宝权坦言。

要在试验室环境中找到顺应规模化消费、具有高可控性和多行为模态的机器人构型，必定继续优化测试和迭代的效率。

因此，经常使用物理模拟技术搭建虚构试验平台启动设计与优化迭代至关关键。

「只要打破学科壁垒，将图形学物理模拟计算与生命迷信等其余学科启动深度交叉协作，才干指数级地紧缩研发期间，成功仿真与制作一体化设计」，陈宝权强调。