港中深俞江帆教授团队：可调模量小型机器人在生物医学应用中的研究综述 | ADRR
PaperWeekly 2026-09-20 18:17 北京
研究背景
微米及毫米尺度的小型机器人能够进入血管、胃肠道与胆管等传统医疗器械难以到达的区域，在靶向递送、活检、原位传感和微创手术等领域展现出重要潜力。小型机器人通常采用柔性材料构建，降低了机器人与生物组织接触时造成的潜在损伤。然而，柔软材料在赋予机器人良好环境适应性和组织安全性的同时，也限制了其需要强大力输出的体内组织操作能力。模量可切换材料为此提供了一种新的解决思路，即通过材料的模量可调特性，机器人可在运动和递送阶段保持柔软，到达目标区域后再通过外部刺激改变机械性能，实现硬化/软化、相变、溶胀或降解，从而满足不同医疗操作的机械性能需求。文章围绕模量可切换材料、机器人结构与驱动、功能及生物医学应用系统梳理该领域的研究进展，并进一步讨论其临床转化面临的挑战与未来发展方向。
图文导读
外部刺激赋予材料刚柔切换能力
文章首先按照外部刺激方式，系统梳理了模量可切换材料的磁场、光场、化学环境以及热、超声等触发机制。磁热材料可借助交变磁场诱导形状记忆聚合物、水凝胶或液态金属软化及固-液相变（图2）；磁流变材料则通过磁性颗粒在磁场诱导下磁颗粒间的相互作用及重排，实现快速硬化（图3）。光刺激可通过光热或光化学过程调节材料模量，并具备局部触发优势（图4）。水、pH和酶等生理环境刺激可直接引起聚合物相分离、溶胀或降解，实现材料模量的变化（图5）。上述响应机制使模量可切换材料能够在外界刺激下发生硬化、软化、相变、溶胀或降解等力学状态变化，为小型机器人的刚柔调控与功能实现提供材料基础。
图2.磁热效应触发的模量可切换材料
图3.磁流变效应触发的模量可切换材料
图4.光触发的模量可切换材料
图5.化学环境触发的模量可切换材料
可调模量机器人的驱动与功能实现
基于上述材料特性，文章进一步梳理了模量可切换机器人的结构设计及驱动方式。文章总结了基于可调模量材料设计的多种机器人结构，包括无定形、爪形、片状、线形和圆柱形等结构。同时，文章探讨了机器人运动驱动与模量切换之间的解耦设计（图6），并介绍了两类实现策略：一类采用不同物理场分别调控运动和软硬切换，例如利用磁场实现导航、光场触发模量变化；另一类则利用同一物理场的时序调控或强度变化实现，例如使机器人在弱磁场下保持柔顺用于驱动，在强磁场下硬化，输出更大的作用力。通过驱动与模量切换的解耦，机器人可以进一步实现抓取、支撑、填充封堵和药物释放等功能，兼顾柔顺运动与机械操作能力。
图6.模量可切换机器人驱动与模量切换的解耦
迈向生物医学应用与精准医疗
文章进一步总结了可调模量小型机器人在靶向药物递送、微创手术与治疗、传感等生物医学场景中的应用（图7）。在靶向递送方面，药物可在机器人运动阶段被包封保护，到达病灶后再通过磁热相变、pH变化或酶降解等方法释放，从而实现局部给药；在微创治疗方面，模量可切换机器人已被用于胃穿孔封闭、肿瘤切除辅助、异物清除、血管修复及动脉瘤栓塞等任务。此外，文章还讨论了自感知结构与模量可切换材料的集成，可实现机器人形变等自身状态的感知，并为进一步开展模量与环境感知提供思路。
图7.模量可切换机器人在生物医学场景中的应用
结论
文章从模量可切换材料出发，系统梳理了不同外部刺激下的材料响应机制，以及基于此类材料的机器人结构设计、驱动与模量切换的解耦和功能实现。在此基础上，文章进一步总结了其在靶向药物递送、微创手术与传感等生物医学场景中的应用，并讨论了面向临床转化所面临的关键挑战与未来发展方向。
论文信息
Modulus-Switchable Miniature Robots for Biomedical Applications: A Review
Chunyun Wei, Yibin Wang, Jiangfan Yu
Advanced Robotics Research
DOI:10.1002/adrr.202500039
原文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adrr.202500039
作者简介
本文通讯作者为香港中文大学（深圳）副教授俞江帆。
俞江帆是香港中文大学（深圳）理工学院副教授、人工智能学院兼聘副教授、校长青年学者、深圳市人工智能与机器人研究院（AIRS）微纳机器人中心主任。他的研究主要集中在医用小型机器人领域，至今发表了90余篇顶级期刊及会议文章、2部专着、1部编着，以第一/通讯作者身份发表文章包括Nature Machine Intelligence、Nature Biomedical Engineering、Science Advances、Nature Communications、IJRR、TRO、Advanced Materials等。他获得了多个有影响力的奖项，包括IEEE RAS Early Academic Career Award、亚太区 MIT TR 35、IROS 最佳学生会议论文奖，国际基础科学大会前沿科学奖、吴文俊人工智能科技奖自然科学奖二等奖、中国电子学会自然科学二等奖、百度全球华人AI青年学者、IEEE 3M-NANO Rising Star Award。他担任IEEE TRO、IEEE TASE的编委，以及Science Robotics、Science Advances、Nature Nanotechnology、Nature Sensors、Nature Communications、PNAS等多个顶级期刊和会议的审稿人。
本文第一作者为香港中文大学（深圳）人工智能学院一年级博士生韦春云。
韦春云，本科毕业于天津大学，目前在香港中文大学（深圳）俞江帆教授团队攻读博士学位。主要研究方向为磁性小型机器人的工作机理及基于磁性小型机器人的生物医学应用。
期刊介绍
Advanced Robotics Research涵盖了各种大小、形状和形式的机器人，包括仿人系统、自动驾驶车辆、无人机、多机器人系统、群体机器人、软体和仿生机器人、微纳机器人、大型工业机器人等。
期刊主页:
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/journal/29439973