在微觀尺度上，拾取，放置，收集和布置物體是一個持續的挑戰。納米技術的進步意味著，我們希望以這些尺寸構建更復雜的東西，但缺少用于移動其組成部分的工具。

現在，賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的一項新研究表明，由磁場遠程驅動的簡單的微觀機器人如何利用毛細作用力來操縱漂浮在油水界面的物體。該系統在《應用物理快報》上發表的一項研究中得到了證明 。

這項研究由賓夕法尼亞大學工程與化學和生物分子工程學系的Richer和Elizabeth Goodwin教授Kathleen Stebe以及她實驗室的研究生Yao Tianyi主持。Stebe實驗室的博士后研究員Nicholas Chisholm和Penn Engineering的GRASP實驗室的研究科學家Edward Steager對該研究做出了貢獻。

賓夕法尼亞大學研究小組的微型機器人是一塊磁鐵的薄片，直徑約三分之一毫米。盡管沒有自己的活動部件或傳感器，研究人員仍將它們稱為機器人，因為它們能夠拾取和放置比其還小的物體。這種能力是這些微型機器人在其中工作的特殊環境的功能：在兩種液體之間的界面。在這項研究中，界面位于水和十六烷(一種常見的油)之間。一旦到達那里，機器人就會使該界面的形狀變形，從而基本上被毛細管相互作用的不可見“力場”圍繞在自身周圍。從樹的根部吸取水分到其葉子的毛細作用力在此用于吸取塑料微粒使其與機器人接觸，或者使其他已經粘附在其邊緣的微粒與機器人接觸。

“我們以前曾利用這些毛細作用力來組裝東西，但是現在，機器人和粒子更輕了，直徑也減小了幾個數量級，” Stebe說。“當您下降到微米級時，這意味著由另一種物理原理來控制畸變。收集和組織直徑幾十微米的物體是一個很大的成就，而不是我們將要手工完成的事情。”這項研究證明了控制這些微型機器人與它們所要操縱的塑料顆粒之間相互作用的物理機制。

Stebe說：“過去，我們拍攝了靜態物體并對其周圍進行了變形，然后展示了粒子如何被吸引到這些變形的'高曲率'區域。現在，我們有了一個磁鐵，代替了一個靜態物體，它可以作為移動失真源。”

奇斯霍爾姆說：“這使事情變得更加復雜。” “當機器人朝著粒子移動時，它會產生一個將粒子推開的流場，因此現在流體動力排斥力和毛細吸引力相互影響。粒子遵循最小能量，這可能意味著向上移動。”使用方形機器人，研究人員發現，一旦粒子超過變形峰，就會被強烈吸引到角落。這是一個潛在有用的屬性，因為機器人可以從各種角度和方向接近目標，并且最終仍將粒子放置在可預測的位置。

“我們已經證明，當您更改機器人的形狀時，會更改交互的類型和強度，” Stebe說。“鋒利的角落像嚴酷的死亡一樣緊緊抓住粒子，但是當我們柔化角落時，我們可以旋轉機器人以釋放它們。”除了柔軟的正方形外，研究人員還試驗了一個圓形機器人以及一個花形機器人。它們都具有通過旋轉就位來精確釋放貨物的額外優勢，其中花形機器人的“花瓣”提供了對貨物顆粒位置的最精確控制。

最后，團隊展示了一個擴展塢。擴展塢由一塊靜態的波浪塑料組成，位于接口的上方和下方。這種布置在材料穿過界面的位置提供了一組非常可預測的變形。Steager說：“我們可以移動這些機器人并收集東西，通過一次撿起一個零件并將它們停靠在我們想要的位置來構建非常復雜的材料。”

由于機器人和粒子之間的交互作用與它們制成的材料無關，因此可能有廣泛的應用。“我們在這項研究中操縱的粒子大約是人類細胞的平均大小或更小，” Yao說，“因此，這種系統可能會在具有磁性微型機器人的單細胞生物學領域中得到應用。在實驗的不同階段移動單個細胞。”他說：“這些微粒也可能是傳感器系統的一部分。” “如果您在界面上安裝了機器人和傳感器粒子，則可以收集這些粒子，并以極好的空間控制程度將整個裝配帶到目標區域。在這種情況下，需要非常低濃度的傳感器顆粒，并且可以在測試后輕松收回它們。”

未來的工作將涉及開發更大的微型機器人形狀和行為庫，以操縱其環境中的對象，以及更強大的感測和控制系統，以使機器人具有更大的自主權。

編輯：jq