图1.FHMR的制造与多模态运动原理示意图。(A)自动化制造设备及FHMR未配置前的概念示意图。(B)FHMR配置与重构流程的流程图。N表示磁铁北极，S代表磁铁南极，B指磁化过程中施加的外部磁场。(C)类OctoMag磁控系统实物图。(D)五种不同运动模式下的运动状态：长轴铁磁流体螺旋机器人（LFHR）旋转模式、LFHR摆动模式、短轴铁磁流体螺旋机器人（SFHR）滚动模式、SFHR摆动模式及SFHR上升模式。(E) SFHR在摆动模式下穿越并清除血栓。(F) SFHR以上升模式在三维血管中移动。(G) SFHR以倾斜角度在血管中滚动移动。(H) LFHR通过滚动与摆动模式穿越胃褶皱实现靶向给药。(I) LFHR采用摆动模式在靶点释放药物。

传统磁性螺旋机器人（MHR）制造往往复杂昂贵，依赖3D打印或生物模板，难以大规模定制。研究团队巧妙借鉴机械加工中切屑形成的原理，使用弯曲针尖在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基板上“雕刻”螺旋结构。这种方法简单高效，只需一个多自由度平台，就能控制针尖直径（0.6-1.6mm）和倾角（50°-70°），实现从微米到毫米级别的螺旋尺寸调节。后续通过铁流体（Fe3O4纳米粒子）附着和溶剂蒸发固化，还能重配置纳米粒子排列方向，形成长轴（LFHR）或短轴（SFHR）磁化机器人。

图2.螺旋针头制造与表征。(A)制造装置示意图包含三轴旋转式螺旋针头制造系统、针尖与基板之间的螺距角θ、弯曲针尖的制备工艺，以及扫描电镜（SEM）下的弯曲针尖结构示意图。(B)螺旋针头制造流程。(C)左图展示不同螺距角θ与螺旋针头螺距的关系，右图展示不同螺距角θ与螺旋针头螺纹直径的关系。子图展示了螺旋针头螺距与直径的示意图。(D)不同直径针头可实现的螺旋结构螺距范围。红色虚线表示实验中选用的0.6毫米针头直径。(E)不同直径针头可实现的螺旋结构直径范围。(F)不同针头制造不同螺距与螺旋直径的对比。在制造过程中，螺距角保持恒定。该图像使用×2倍放大率的微距相机拍摄(G)。图片展示了不同螺距和直径的HMR模拟与实验结果，涵盖小、中、大三种螺距角度。(H)HMR的制造过程包含显著变化的螺距与直径，以及不同直径和可变螺距制备的HMR的SEM图像。(I)通过压缩-热固定策略实现螺旋螺距的主动调控，流程图展示了从组装到最终结构成型的完整过程。(J)原始螺旋结构与压缩-热固定后结构的螺距变化对比。

图3.铁磁流体微机械谐振器（FHMR）配置全周期流程及不同磁化方向下的机器人性能表现。(A)FHMR配置与重构流程的流程图。(B)铁磁流体照片及纳米颗粒在铁磁流体中的扫描电镜成像结果。(C)室温下油基铁磁流体的磁滞回线。(D)铁磁流体与PMMA材料以1 m/s速度在1秒内滴落时的接触面积。(E)铁磁流体与PMMA的接触角。(F)表面形貌对比：未配置前铁磁流体存在随机凸起结构（红色虚线标记），配置后呈现有序链状结构。(G)模拟显示均匀磁场下铁磁流体中纳米颗粒形成链状结构。(H)旋转磁场下两个固定纳米颗粒的相互作用。(I)转矩诱导的纳米颗粒链旋转直至与磁场对齐。(J)2毫米FHMR长度与指尖尺寸的对比。(K)配置前螺旋结构的初始状态及0、3、6小时FHMR重构过程中的不同状态。h表示小时。(L)不同配置方法下FHMR在相同圆周旋转磁场中的运动反馈对比。(E)图中误差条为三次实验的标准差。

FHMR的最大亮点是多模态运动，通过OctoMag-like多向磁控系统，机器人可在圆锥形或圆形旋转磁场下切换5种模式：

SFHR滚动模式：低阻力，适合坡道或推运物体（如清除关节腔杂质）。

SFHR摆动模式：高推进力，能穿越狭窄弯曲管道并清除模拟血栓。

SFHR上升模式：垂直爬升，克服粘稠环境（如血浆）中的3D障碍。

LFHR旋转模式：克服台阶，适应不平坦表面。

LFHR摆动模式：跨过折叠地形（如胃皱褶），并加速药物释放。

这些模式可组合使用，例如，在模拟3D血管中，FHMR先上升穿越垂直段，再摆动转弯，最后滚动坡道，最终清除血栓。实验证明，FHMR在粘度5 mPa·s的环境中稳定运动，轨迹误差仅0.5mm（仅为其长轴的1/4）。

图4. FHMR五种运动模式及轨迹。(A)SFHR与LFHR五种运动模式的概念示意图，包含SFHR滚动模式、SFHR摆动模式、SFHR上升模式、LFHR旋转模式及LFHR摆动模式的概念示意图。其中N表示磁流体动力学（MFR）运动时外部磁场的北极，S表示磁流体动力学（MFR）运动时外部磁场的南极。(B)五种运动模式的移动速度随电磁场频率变化的曲线图。图中蓝色区域代表低频段，绿色区域代表中频段，红色区域代表高频段。(C)通过闭环控制方式，采用五种不同运动模式对英文字符“ISUDA”进行实验跟踪的结果。(D)以S形轨迹为例，展示FHMR的轨迹位置误差结果及高斯分布拟合图。图(B)中的误差条为三次实验计算得出的标准差。

生物医学应用：靶向递药与血栓清除的未来

血栓清除：在S形管道中，SFHR摆动模式轻松钻透模拟血栓（石灰粉制成），结合3D导航，适用于复杂血管网络。

靶向药物递送：机器人表面负载率超60%，在猪肺或胃模型中，使用LFHR旋转模式快速抵达目标（最小药物泄漏），再切换摆动模式振动释放药物。针对腐蚀性环境（如胃酸），团队引入聚乙烯醇（PVA）缓释涂层，调节水:PVA比例（4:1~4:1.5），可将药物释放时间延长至25min以上，实现分阶段释放（静态、微摆、高频摆动、大振幅扩散）。

实验验证：在胃模型中，FHMR快速定位病灶，释放率比无涂层组提升显著，证明其在皱褶生理组织的潜力。

图5.FHMR的实验演示。(A)FHMR在LFHR滚动模式下跨越障碍物的运动过程。子图展示了FHMR穿越阶梯状障碍物时的放大视图，详细呈现了其运动状态。左上角子图展示了本实验设计的阶梯式结构配置。(B)LFHR摆动模式穿越折叠地形的实验图像。子图显示FHMR通过间隙时的放大视图，展示了其以一端为支点穿越间隙时的详细状态。蓝色实线表示真实轨迹。左上角子图呈现了多间隙结构架构。(C)SFHR摆动模式下清除模拟血栓并穿过S形管道。子图详细展示了FHMR在管道内的运动状态。(D)推动FHMR球体在SFHR滚动模式下的运动。蓝色实线表示真实轨迹。(E) FHMR在SFHR上升模式下跨越墙壁。子图展示了FHMR上升过程中的运动状态。蓝色实线表示真实轨迹。左上角子图呈现了本实验使用的凸台状结构模型。

图6.FHMR的多模态联合运动实验。(A)概念示意图展示了SFHR上升、摆动和旋转模式的联合控制，展现了其在三维模拟血管中的导航能力。(B)SFHR在三维模拟血管验证实验中的具体运动过程。(C)LFHR概念示意图展示了肺部环境中滚动与摆动运动的联合控制，用于靶向药物递送。(D)LFHR在离体猪肺验证实验中的顺序运动过程。(E)FHMR带涂层保护剂的胃内给药过程示意图。(F)未涂层FHMR与不同涂层厚度的涂层变体的相对药物释放面积及时间曲线对比。未涂层FHMR的释放面积归一化为1，涂层变体1、2、3分别采用水与PVA溶液4：1、4：1.25、4：1.5配比制备后经热风干燥。(G)20分钟后药物释放的光学分析，对比不同涂层厚度的未涂层与涂层FHMR。图像通过从原始视频的后续帧中减去初始帧获得。(H)胃模型中带涂层保护剂的FHMR靶向药物递送验证实验。(I)胃内药物释放过程的定量分析。第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段分别对应静态缓释、微摆动诱导释放加速、高频摆动驱动快速释放以及大振幅运动增强扩散四种技术方案。(J)基于多模态运动能力、柔韧性、载药量、制造成本、生物相容性及多尺度制造等维度，对FHMR与BHR（48）、LCE-MMP（58）、Janus机器人（59）、PEDGA--HR（39）、BMR（26）、MSR（60）及FDC（61）等磁螺旋机器人的对比分析。

梅廷·斯蒂（Metin Sitti）是出生于1970年7月的土耳其科学家，土耳其科学院院士，美国国家工程院院士。Sitti教授是德国斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所（MPI-IS）物理智能部门的主任，他于2023年正式担任土耳其伊斯坦布尔科奇大学校长，并于2024年当选为美国国家工程院院士。其学术生涯涉及多个工程领域，长期致力于推动科学教育与国际合作。担任《Progress in Biomedical Engineering》和《Micro-Bio Robotics Journal》主编，以及《Science Advances》和《Extreme Mechanics Letters》副主编。他累计发表480多篇同行评议论文，在谷歌学术中被引超44900次（h指数 115），研究成果被《纽约时报》《华尔街日报》等众多媒体报道，影响力广泛。