蜘蛛俠電影雖然天馬行空,但也可以成為科學家的靈感來源。張立教授正是受《毒魔》(2018)啟發,仿照電影裏像毒魔一樣蠕動的毒液共生體,研發出形態百變的軟體機械人。張教授來自香港中文大學(中大)機械與自動化工程學系,專注研究以軟材料製造微型機械人,這些軟體機械人能屈能伸,輕易突破傳統機械人的功能。

軟體機械人擅長在狹窄封閉的環境移動,例如穿梭於人體內,因其柔軟特性不會損害身體組織。張教授正研發可以自由變換不同形狀的軟體機械人,日後有望應用於靶向藥物輸送。張教授經常從日常生活見到的事和物獲得創作靈感,曾研發出可群起如蜂的微型機械人群、水凝膠「史萊姆」機械人、「摺紙」軟體機械人等,他希望繼續打破變形極限,創造出像阿米巴變形蟲一樣的機械人。

張教授從《毒魔》得到啟發,與美國卡內基梅隆大學Carmel Majidi教授合作,利用鐵磁流體研發一種新型軟體機械人,鐵磁流體由懸浮在流體中的微鐵磁顆粒製成,因此液體本身也具有磁性。

張教授說︰「這種材料是美國太空總署(NASA)在1960年代開發,雖然不是新材料,但應用仍很廣泛,我們可以稱之為一種智能材料︰當它受到外部刺激(如動態磁場),便會自動作出反應,就像擁有生命一樣能夠『跳舞』,於是我想如果我們可以控制它的舞蹈,也許能把它用於軟體機械人。」

鐵磁流體在動態磁場下「跳舞」。

「毒魔可以透過寄生支配它的宿主,我們可不可以利用鐵磁流體塗層包裹另一種非磁性物料,從而操控它的活動?」張教授續說。

這項研究利用鐵磁流體的三種不同浸潤特性,實現軟體機械人百變的功能。浸潤效應可改變液體與固體表面保持接觸的能力,在低浸潤狀態下,它們可以改變形狀、分裂和合體;在高浸潤狀態下,它們可以充當液體纖毛,用於泵送血液;而在完全浸潤狀態下,有趣的事情發生了。

用於運送和釋放藥物的可控液體膠囊。

「我們研究了鐵磁流體如何與不同類型的表面相互作用,可利用完全浸潤狀態來包裹物料,例如凝膠本身沒有磁性,只要裹上鐵磁流體後,我們也可以操控它。」張教授說。

「試想像一個含有兩種不同液體的膠囊,外面是鐵磁流體,裏面則是藥物。就像水油不相容一樣,鐵磁流體不會弄濕裏面的藥物,這意味著我們可以製造出用於藥物輸送的液體膠囊,它不像固體膠囊般堅硬,可以變成任何形狀,穿過狹窄的結構也游刃有餘。」

鐵磁流體液滴穿過迷宮,並轉化成磁性彈性體機械人。

張教授一直致力突破機械人的變形能力,他與同系的金東東博士聯同香港城市大學張甲晨教授、中國科學技術大學王柳教授,合作開發一種鐵磁性有機矽彈性體,類似橡膠一樣可以拉伸和回復原狀,通過對彈性體內部磁體進行編碼,實現了複雜的三維變形。這項技術亦是受大自然啟發,他們是從波浪形的魚鰭獲得靈感。

張教授說︰「一般材料即使施力屈曲也只能單一地變形,我們運用智能材料,能以外部刺激令它膨脹或收縮。我們可透過調節磁場控制它的動態,得出複雜多變的動作,例如形成波浪式的屈曲變形,就像給機械人安裝上了能靈活控制水流的魚鰭一樣。」

利用磁性彈性體的無繩游泳機械人。
張立教授