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      力學所在氣泡微機器人操控研究中取得進展

      作者:鄭旭 2022-09-13 16:08 來源:
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      能夠自主運動的微馬達(Micromotor)技術得到了飛速的發展和廣泛的關注。作為典型的活性顆粒,微馬達往往由表面物理化學屬性相異的兩部分組成,將周圍環境中的能量(如化學能等)轉化為自身運動的動能。因此也常借用古希臘的兩面神,被稱為Janus微馬達。一種典型的Janus球形微馬達一個半球材料為鉑(Pt)另一半為SiO2,在H2O2溶液中于Pt表面發生催化分解反應:。已有研究發現,當Janus微馬達的尺寸達到幾十微米時,氧分子可以凝聚成核形成氣泡,Janus微馬達的運動機制將從梯度場主導的泳動驅動(Phoretic Motion),轉變為依靠微氣泡提供動力的氣泡驅動(Bubble Propulsion)。得益于氣泡潰滅時的高能量,氣泡驅動型微馬達運動最大速度可達0.1m/s,具有較強的運動能力,使其在高效水污染處理及醫療健康等領域展現了較強應用前景。

      近年來,新興的游泳微機器人(Swimming Microrobot)技術要求氣泡微馬達研究在掌握流動機理的基礎上增強可操控性,完成向氣泡微機器人(Bubble Microrobot)的升級。國際前沿研究結果也報道了氣泡微機器人應用于液氣界面附近的微組裝平臺,實現對微芯片的一體化裝配;或被用于眼部輔助手術,為更換角膜及眼睛房水內藥物輸運提供了新的手段。而從氣泡微馬達到氣泡微機器人的升級,需要研究人員從機理可靠、智能可控及功能全面等三方面給出解決方案。

      中科院力學所非線性力學國家重點實驗室微納流動研究團隊發展了新型磁控多工作模式的氣泡微機器人。搭建了三維Helmholtz線圈磁控系統,可對內嵌磁性鎳層的Janus微球的朝向及運動通過手柄或程序進行便捷且高效的操控(圖1)。本研究首次提出通過磁場調整液氣界面附近Janus微球的朝向,即可實現氣泡微機器人的遠程速度調制(圖2)。通過實驗揭示了微氣泡潰滅引起射流的流動特征,并通過調整Janus微球、微氣泡、目標物的相對位置,利用射流流動實現了對目標推進、錨定、抓取等不同功能(圖3)。微氣泡在液氣界面附近潰滅還會產生表面毛細波,可對遠場顆粒進行大范圍清掃(圖4),且表面波遠場功能與與射流近場功能可進行可控切換。

      相關研究成果以“Multimodal bubble microrobot near an air-liquid interface”為題發表于國際微納米科學重要期刊Small。中科院力學所王雷磊博士為第一作者,鄭旭副研究員為通訊作者,關東石研究員和博士研究生聶鵬程、李航宇提供重要實驗支持。同時感謝魏延鵬研究員、王靜竹副研究員和郭雅悰博士提供高速攝像設備的幫助。該項工作得到了國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究計劃、中科院B類戰略先導科技專項等項目的資助。

      論文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202203872

      圖1. 基于三維Helmholtz磁控系統采用手柄即可對氣泡微機器人進行靈魂操控

      圖2. 通過磁場調整液氣界面附近Janus微球的朝向以實現氣泡微機器人的遠程速度調制

      圖3. 通過調整Janus微球、微氣泡、目標物的相對位置,利用射流流動及表面波實現了對目標推進、錨定、抓取、清掃等不同功能

      圖4. 遠場作用

      附件:
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