力学所气泡微机器人操控研究获进展
2022-09-14
力学研究所
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能够自主运动的微马达（Micromotor）技术得到了发展和关注。作为典型的活性颗粒，微马达往往由表面物理化学属性相异的两部分组成，将周围环境中的能量（如化学能等）转化为自身运动的动能。因此借用古希腊的两面神，称为Janus微马达。一种典型的Janus球形微马达一个半球材料为铂（Pt）而另一半为SiO2，在H2O2溶液中于Pt表面发生催化分解反应：。已有研究发现，当Janus微马达的尺寸达到几十微米时，氧分子可以凝聚成核形成气泡，Janus微马达的运动机制将从梯度场主导的泳动驱动（Phoretic Motion），转变为依靠微气泡提供动力的气泡驱动（Bubble Propulsion）。得益于气泡溃灭时的高能量，气泡驱动型微马达运动最大速度可达0.1m/s，具有较强的运动能力，使其在高效水污染处理及医疗健康等领域展现出较强应用前景。?
近年来，新兴的游泳微机器人（Swimming Microrobot）技术要求气泡微马达研究在掌握流动机理的基础上增强可操控性，完成向气泡微机器人（Bubble Microrobot）的升级。国际前沿研究报道了气泡微机器人应用于液气界面附近的微组装平台，实现对微芯片的一体化装配；或被用于眼部辅助手术，为更换角膜及眼睛房水内药物输运提供新手段。而从气泡微马达到气泡微机器人的升级，需要研究人员从机理可靠、智能可控及功能全面等三方面给出解决方案。
澳门赌场力学研究所非线性力学国家重点实验室微纳流动研究团队发展了新型磁控多工作模式的气泡微机器人。研究搭建了三维Helmholtz线圈磁控系统，可对内嵌磁性镍层的Janus微球的朝向及运动通过手柄或程序进行便捷且高效的操控（图1）。研究首次提出通过磁场调整液气界面附近Janus微球的朝向，即可实现气泡微机器人的远程速度调制（图2）。研究通过实验揭示了微气泡溃灭引起射流的流动特征，并通过调整Janus微球、微气泡、目标物的相对位置，利用射流流动实现了对目标推进、锚定、抓取等不同功能（图3）。微气泡在液气界面附近溃灭还会产生表面毛细波，可对远场颗粒进行大范围清扫（图4），且表面波远场功能与射流近场功能可进行可控切换。
相关研究成果以Multimodal bubble microrobot near an air-liquid interface为题，发表在Small上。研究工作得到国家自然科学基金、澳门赌场前沿科学重点研究计划、澳门赌场战略性先导科技专项（B类）等的支持。
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图1.基于三维Helmholtz磁控系统采用手柄即可对气泡微机器人进行灵魂操控
图2.通过磁场调整液气界面附近Janus微球的朝向以实现气泡微机器人的远程速度调制
图3.通过调整Janus微球、微气泡、目标物的相对位置，利用射流流动及表面波实现了对目标推进、锚定、抓取、清扫等不同功能
图4.远场作用
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