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

  磁驅(qū)動(dòng)微型軟體機(jī)器人可在復(fù)雜受限的環(huán)境中進(jìn)行靈活的運(yùn)動(dòng),廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)、細(xì)胞/藥物輸送等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。其中,基于彈性體、水凝膠的微型軟體機(jī)器人可通過磁疇編輯實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)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(jī)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(yīng)性。目前,針對(duì)可相變的磁性軟體機(jī)器人的研究相對(duì)有限。因此,開發(fā)一種具有多相態(tài)可逆轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)多種功能的磁機(jī)器人仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。



  近日,西安交通大學(xué)唐敬達(dá)課題組利用溫度敏感相變聚合物以及交頻磁場(chǎng)加熱技術(shù),報(bào)道了一種可實(shí)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(dòng)微型機(jī)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(bào)道的磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)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(jī)分布的多肽鏈會(huì)逐漸交聯(lián)形成三螺旋復(fù)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(chǎng)可以遠(yuǎn)程快速的實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)加熱,促使三螺旋結(jié)構(gòu)的水解,實(shí)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(jī)器人在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)及變形特性(圖1c-1f),發(fā)現(xiàn)在磁驅(qū)動(dòng)下液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)微型機(jī)器人分別表現(xiàn)出良好的流動(dòng)、不可逆的拉伸變形以及剛性的整體移動(dòng)三種模式。 


圖1. 三相態(tài)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人示意圖


  研究人員使用流變儀對(duì)磁性液滴機(jī)器人的流變特性進(jìn)行觀測(cè)表征。通過儲(chǔ)能模量G'' 和損耗模量G'''' 的對(duì)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(dòng)態(tài)粘度作為微觀結(jié)構(gòu)的表征參數(shù),通過旋轉(zhuǎn)測(cè)試測(cè)定溫度,明膠濃度和磁性顆粒濃度等對(duì)粘度的影響(圖2c-2d)。隨著溫度的降低,粘度曲線會(huì)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(duì)應(yīng)從液態(tài)、粘流態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。利用以上測(cè)試?yán)L制表征粘度隨溫度、明膠濃度變化的相圖,實(shí)現(xiàn)三種相態(tài)的數(shù)值區(qū)分。 


圖2. 三相態(tài)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人的流變特性


  隨后,研究人員對(duì)液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)的磁驅(qū)動(dòng)和變形能力分別進(jìn)行探究。其中,液態(tài)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人在有效的非均勻磁場(chǎng)范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)良好穩(wěn)定的磁驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)(圖3a-3c),以及彈性大變形(圖3d-3e),可實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地形中的穩(wěn)定導(dǎo)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(dòng)微型機(jī)器人的磁驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和變形


  固態(tài)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人具有剛性和穩(wěn)定的形狀,可在磁驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)動(dòng)和針對(duì)物體的操縱(圖4a)。進(jìn)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(dòng)微型機(jī)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(dòng)微型機(jī)器人可先后在液態(tài)下完成原地分裂、管道導(dǎo)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(fù)等綜合任務(wù)。通過液態(tài)和固態(tài)之間的自由轉(zhuǎn)換,磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人具有了動(dòng)態(tài)剛度變化和形狀可重構(gòu),實(shí)現(xiàn)了多物體操作、管道阻塞和在復(fù)雜環(huán)境中的連續(xù)運(yùn)動(dòng)和主動(dòng)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了在人體胃模型內(nèi)的控制運(yùn)動(dòng)、藥物運(yùn)輸和創(chuàng)口覆蓋等功能行為。固態(tài)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人可在胃模型內(nèi)受磁驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng);基于三相態(tài)的自由切換能力,磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人可完成對(duì)藥物膠囊的變形包覆、粘附固定、主動(dòng)運(yùn)輸和智能釋放等多種任務(wù);基于相態(tài)切換和形狀可重構(gòu),磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的大拉伸變形,在控制變形形狀和面積后完成對(duì)創(chuàng)口的固定覆蓋。 


圖4. 三相態(tài)轉(zhuǎn)換的磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人的多功能應(yīng)用


  總結(jié):提出了一種可實(shí)現(xiàn)三相態(tài)可逆轉(zhuǎn)換的磁性液滴微型機(jī)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(dòng)和變形特性。通過相態(tài)之間的自由轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了不同相態(tài)磁性軟體機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),具有了在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定導(dǎo)航、形態(tài)適應(yīng)、形狀重構(gòu)、可控剛度和導(dǎo)電等多功能,有望在柔性電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。


  論文第一作者為西安交通大學(xué)航天學(xué)院研究魏黃三,通訊作者為西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授


  上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、王寬誠(chéng)教育基金會(huì)等資助。


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

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