中国学者合作研究微纳机器人集群的逆重力自组装，成果登《Science Advances》

原创 Robospeak 机器人大讲堂

收录于合集

微纳机器人凭借其可控性与可修饰性等优势，在医学工程和纳米工程等领域有广阔的应用前景。受自然群体集群智慧的启发，微纳米颗粒在外场能量驱动下（磁场、超声波、光、化学信号等）可生成多种形态的微纳米集群，可构成功能性材料和系统，如智能材料和光学晶体，并适用于催化、纳米工程、靶向递送和治疗等。受限于重力与颗粒之间的相互作用，实现微纳米机器人集群垂直方向的自组装仍具有挑战。

▍直立的、垂直生长的微米机器人集群

近日，多伦多大学孙钰教授团队和香港中文大学（深圳）俞江帆教授团队合作实现了以磁性微米颗粒为基础单元的微集群的逆重力自组装。该集群能自由变化其高度、倾斜度，并执行运动，同时还能通过基础单元的互相合作克服环境对单个微型机器人的运动限制。该项研究以论文《Gravity-resisting colloidal collectives 》为题发表于《Science Advances》上。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade3161

▍微米颗粒互为支撑逆重力组装

在诱导微米颗粒逆重力组装的同时克服颗粒之间的排斥作用是生成垂直集群的难题。通过实验和仿真分析了磁性颗粒的相互作用，作者提出了一种可生成垂直颗粒集群的策略。作者设计了双轴振荡磁场，并用其诱导颗粒抵抗重力形成垂直集群（图1）。作者阐明了颗粒间的垂直相互作用、中间体之间的吸引力、及颗粒空间位置可重构性在自组装中的必要性。否则，微米颗粒集群的高度将会受到限制。

图1 垂直集群的自组装过程图片来源：Sci. Adv.

在无磁场的情况下，该集群在重力影响下散落（图2）。反之在磁场的驱动下，颗粒间产生的时变相互作用赋予它们抵抗重力的能力，即使在集群倾斜的状态下也可以维持抗重力的特性（图3）。作者通过仿真分析了颗粒中间体结构和磁场强度的关系，并展示了集群的高度可通过调整磁场进行操纵（图4）。基于集群的重构特性，作者实现了集群的相互融合（图5）。

图2 磁场下的集群散落图片来源：Sci. Adv.

图3 集群的80度倾斜过程图片来源：Sci. Adv.

图4 集群的高度重构过程图片来源：Sci. Adv.

图5 集群的受控合并图片来源：Sci. Adv.

在对集群的流体动力特性分析中，实验和模拟结果显示集群内的颗粒运动引起了时变和速度分布不对称的流动，从而生成了涡流。作者接着分析了磁场角度和方向对于集群的影响，发现了该集群可实现爬坡、逆流和狭小空间中的自适应运动（图6）。颗粒间的相互作用力也赋予了集群跨越障碍物和裂缝的能力（图7）。同时，集群之间也具有合作的能力，克服了环境对单个集群的运动限制，可实现如攀上阶梯和跨越裂缝等运动（图8）。此外，该集群也可用于控制微管道中的进光量（图9）。

图6 集群的运动图片来源：Sci. Adv.

图7 集群间互相合作跨越障碍物和裂缝图片来源：Sci. Adv.

图8 集群间互相合作攀上阶梯和跨越裂缝图片来源：Sci. Adv.

图9 集群控制进光量。图片来源：Sci. Adv.

作者提出的策略为颗粒沿垂直方向的动态自组装提供了原型范例，并展示了颗粒之间产生了类似蚁群的智能群体行为。该策略可与其他形式的物理相互作用结合，以促进胶体自组装的研究，实现具有功能性的微纳米系统。

▍结语

本文作者在前期工作中提出了一种基于微纳机器人集群的选择性区域栓塞技术（图10），以《Microrobotic swarms for selective embolization》为题发表于《Science Advances》上（论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm5752）。该技术可为各种脏器的原发癌提供潜在的治疗方案，以减轻由目前的被动的、非选择性栓塞技术引起的并发症。