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西安交大唐敬達課題組《ACS AMI》: 三相態(tài)磁驅(qū)動微型機器人
2024-01-25  來源：高分子科技

  磁驅(qū)動微型軟體機器人可在復雜受限的環(huán)境中進行靈活的運動，廣泛應用于微創(chuàng)手術(shù)、細胞/藥物輸送等生物醫(yī)學領(lǐng)域。其中，基于彈性體、水凝膠的微型軟體機器人可通過磁疇編輯實現(xiàn)預先設計的形狀變形，但基體的固體性質(zhì)限制其變形能力。相比之下，基于液體的微型軟體機器人(如鐵磁流體、液態(tài)金屬)表現(xiàn)出優(yōu)異的可變形性和形態(tài)適應性。目前，針對可相變的磁性軟體機器人的研究相對有限。因此，開發(fā)一種具有多相態(tài)可逆轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)多種功能的磁機器人仍然是一個挑戰(zhàn)。



  近日，西安交通大學唐敬達課題組利用溫度敏感相變聚合物以及交頻磁場加熱技術(shù)，報道了一種可實現(xiàn)固態(tài)、液態(tài)和粘流態(tài)三相態(tài)轉(zhuǎn)換并具有多功能的磁驅(qū)動微型機器人。研究成果以Magnetoactive millirobots with ternary phase transition為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。 所報道的磁驅(qū)動微型機器人由明膠相變聚合物和軟磁性四氧化三鐵納米顆粒組成（圖1a），在不同溫度下由于明膠微觀結(jié)構(gòu)的不同表現(xiàn)出多種相態(tài)（圖1b）。在溫度下降的過程中，隨機分布的多肽鏈會逐漸交聯(lián)形成三螺旋復合結(jié)構(gòu)，帶來微觀構(gòu)象從無序到有序的轉(zhuǎn)變，以及表觀相態(tài)從液態(tài)-粘流態(tài)-固態(tài)的轉(zhuǎn)換。通過交變磁場可以遠程快速的實現(xiàn)磁感應加熱，促使三螺旋結(jié)構(gòu)的水解，實現(xiàn)三相態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換。文中分析了三種相態(tài)的微型機器人在磁場驅(qū)動下獨特的運動及變形特性（圖1c-1f），發(fā)現(xiàn)在磁驅(qū)動下液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)微型機器人分別表現(xiàn)出良好的流動、不可逆的拉伸變形以及剛性的整體移動三種模式。 


圖1. 三相態(tài)磁驅(qū)動微型機器人示意圖


  研究人員使用流變儀對磁性液滴機器人的流變特性進行觀測表征。通過儲能模量G'' 和損耗模量G'''' 的對比，可有效區(qū)分不同溫度下的固、液兩種相態(tài)（圖2a-2b）。以動態(tài)粘度作為微觀結(jié)構(gòu)的表征參數(shù)，通過旋轉(zhuǎn)測試測定溫度，明膠濃度和磁性顆粒濃度等對粘度的影響（圖2c-2d）。隨著溫度的降低，粘度曲線會明顯經(jīng)歷低值平穩(wěn)、快速上升到高值固定的變化（圖2e），對應從液態(tài)、粘流態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。利用以上測試繪制表征粘度隨溫度、明膠濃度變化的相圖，實現(xiàn)三種相態(tài)的數(shù)值區(qū)分。 


圖2. 三相態(tài)磁驅(qū)動微型機器人的流變特性


  隨后，研究人員對液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)的磁驅(qū)動和變形能力分別進行探究。其中，液態(tài)磁驅(qū)動微型機器人在有效的非均勻磁場范圍內(nèi)可以實現(xiàn)良好穩(wěn)定的磁驅(qū)動運動(圖3a-3c)，以及彈性大變形（圖3d-3e），可實現(xiàn)在復雜地形中的穩(wěn)定導航（圖3h）并輕松通過直徑為 1.5 mm的狹窄通道（圖3i-3j）； 


圖3. 液態(tài)磁驅(qū)動微型機器人的磁驅(qū)動運動和變形


  固態(tài)磁驅(qū)動微型機器人具有剛性和穩(wěn)定的形狀，可在磁驅(qū)動下實現(xiàn)可控運動和針對物體的操縱（圖4a）。進一步地，研究人員通過兩兩相態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換，展示了磁驅(qū)動微型機器人的多功能操作。例如：通過液態(tài)和粘流態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，磁驅(qū)動微型機器人可先后在液態(tài)下完成原地分裂、管道導航、穿越柵欄、翻越障礙和合并融合，以及在粘流態(tài)下完成爬坡和3D電路修復等綜合任務。通過液態(tài)和固態(tài)之間的自由轉(zhuǎn)換，磁驅(qū)動微型機器人具有了動態(tài)剛度變化和形狀可重構(gòu)，實現(xiàn)了多物體操作、管道阻塞和在復雜環(huán)境中的連續(xù)運動和主動導航（圖4）。最后，通過液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)之間的三相態(tài)可逆轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了在人體胃模型內(nèi)的控制運動、藥物運輸和創(chuàng)口覆蓋等功能行為。固態(tài)磁驅(qū)動微型機器人可在胃模型內(nèi)受磁驅(qū)動運動；基于三相態(tài)的自由切換能力，磁驅(qū)動微型機器人可完成對藥物膠囊的變形包覆、粘附固定、主動運輸和智能釋放等多種任務；基于相態(tài)切換和形狀可重構(gòu)，磁驅(qū)動微型機器人可實現(xiàn)主動的大拉伸變形，在控制變形形狀和面積后完成對創(chuàng)口的固定覆蓋。 


圖4. 三相態(tài)轉(zhuǎn)換的磁驅(qū)動微型機器人的多功能應用


  總結(jié)：提出了一種可實現(xiàn)三相態(tài)可逆轉(zhuǎn)換的磁性液滴微型機器人。其在三種相態(tài)：液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)下具有不同的磁驅(qū)動和變形特性。通過相態(tài)之間的自由轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了不同相態(tài)磁性軟體機器人的優(yōu)勢互補，具有了在復雜環(huán)境中穩(wěn)定導航、形態(tài)適應、形狀重構(gòu)、可控剛度和導電等多功能，有望在柔性電子和生物醫(yī)學領(lǐng)域得到應用。


  論文第一作者為西安交通大學航天學院研究生魏黃三，通訊作者為西安交通大學唐敬達副教授。


  上述研究得到了國家自然科學基金面上項目、王寬誠教育基金會等資助。


  論文鏈接：https://achs-prod.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c13627

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（責任編輯：xu）
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