微型游泳机器人可以在微观水平上重组材料

控制微观过程本身就具有挑战性。我们用来在宏观尺度上操纵物质的日常工具不能简单地缩小到细胞大小，即使它们可以缩小，当它们的目标以纳米为单位时，它们所依赖的物理力也会产生不同的作用。

但是，尽管这并非易事，但实现这种控制将带来巨大的好处：无论是将药物输送到肿瘤以进行精确治疗，还是从称为胶体的液体悬浮构建块中制造功能材料，宾夕法尼亚大学的工程师们都在努力制造这些流程更快、更安全、更可靠。

控制这些过程的一种方法是使用微型机器人。

微型机器人可以在原子级水平上工作。例如，外科医生能够遥控微型机器人做毫米级视网膜开刀手术，在眼球运动的条件下，切除弹性视网膜或个别病理细胞，接通切断的神经;在患者体内或血管中穿行，一旦发现癌细胞就立即把它们杀死以及刮去主动脉上堆积的脂肪等;可以将微型机器人胃镜放进胃内对胃进行全面检查。微型机器人还可以用于精密制造业的加工，用它制造存储量更大的电脑存储芯片，以及加工精度极高的“超平面磨床”等。

微型机器人的作业能力达到了分子、原子级水平，已远远超过了艺术家在头发丝上作画的程度了。应用微型机器人技术，可以使各种各样的航天测量变得更为轻巧，磁带录音机之类的家用电器也会变得更加小巧和多用，电视屏幕可以做得又大又薄，其上各点的光亮度，是直接可以用微型机器人自动控制的。微型机器人也将使机械学发生一场革命。微型和超微型机器人的应用领域非常广阔，它可以用于航海、农业、通信、航空航天、家庭和医疗等方面。例如：扔下成千上万个微型机器人去咀嚼轮船底部的贝类和苔藓，能节省航行能源;将成千上万个微型机器人撒在庄稼地内，让它们去咬死害虫，减少农业的损害使之有好收成;飞行微型机器人载着湿度仪和红外传感器在田野上飞翔，当发现农田有干旱现象时，便降落在灌溉系统的阀门上，将干旱信息传输给传感器，打开阀门，定量灌溉农田。

我们通常将机器人视为计算机化的机器，例如装配线上或仓库中的机器，经过编程可以移动货物并构建复杂的结构，例如汽车和手机。然而，为比微芯片还小的机器编程会带来另一种挑战。对于计算机化来说太小了，这种规模的机器人需要以与更大的机器人完全不同的方式设计，并遵守完全不同的物理和化学定律。

由于它们对于自己的机载计算机来说太小了，微型机器人依靠外部磁力移动。为了操纵同样小的货物，他们需要利用支配微尺度的不同物理和化学定律。

在这些尺寸下，每个物体都会受到周围分子的极大影响。无论它们被气体包围，如周围大气，还是浸没在液体中，微型机器人的设计都必须通过称为“物理智能”的概念来利用这种影响。

通过了解系统、周围的介质和其中的粒子，具有物理智能的微型机器人可以执行各种任务。

Kathleen Stebe, Richer & Elizabeth Goodwin 化学与生物分子工程和机械工程与应用力学教授，姚天一，前博士。她实验室的学生张启星，现任博士。卢布尔雅那大学 Miha Ravnik 教授小组的学生和合作者正在进行基础研究，这将为理解向列液晶 (NLC) 胶体流体中的这些小规模相互作用奠定基础，这种流体构成了每个液晶显示 (LCD) 屏幕中的像素。

“向列液晶作为一种特殊相存在，是一种既不是液体也不是固体的结构化流体，”Stebe 说。“NLC 由细长的分子组成，这些分子在需要最少能量的配置中自对齐。想想摇一锅米饭;谷物全部对齐。当你通过引入微型机器人或胶体货物来扰乱向列排列时，你真的例如，您在水中看不到的有趣动态。正是 NLC 的物理学使我们能够研究这些独特的相互作用。”

在发表于Advanced Functional Materials的一项研究中，研究团队描述了一种四臂磁控微型机器人，它可以在这种复杂的流体中游泳、运载货物并主动重组粒子。

“我们从一个复杂的形状开始，它产生了复杂的行为，”Stebe 说。“在这里，微型机器人由外部磁场控制，并利用其物理智能拾取微粒作为货物，然后在游到有纹理的表面时将其击打。表面材料中的凹槽尺寸恰到好处吸引和保持粒子。事实上，正是这种表面设计激发了四臂微型机器人的设计灵感。我们利用 NLC 中胶体的物理形状、表面化学和特殊动力学来控制它。”

“但是，我们观察这些复杂功能的次数越多，我们就越不了解，”她补充道。“我们必须回到基本面来真正解释这里发生的事情。”

这个机器人怎么会游泳?它是如何保持和移动粒子的?在另一项发表在《科学进展》杂志上的研究中，该团队用一个形状更简单的微型机器人回答了这些问题。

“圆盘形状使我们能够更好地了解微型机器人的游泳能力，”Stebe 说。“在这里我们可以看到，当磁盘的一侧向上倾斜时，在其下方会产生拓扑缺陷。拓扑缺陷与磁盘本身之间的相互作用会产生能量梯度，从而使磁盘能够自行推进。 “

允许机器人游泳功能的拓扑缺陷的原因是由于 NLC 的复杂组织，这与水等杂乱无章的液体有很大不同。

“利用向列液晶的物理学，”这两项研究的主要作者 Yao 说，“我们可以构建具有物理智能的微型机器人系统。我们可以进行远程交互，调整结合强度并重新配置空间。虽然我们已经证明了这些交互在微观尺度上，流行的物理学在非常小的尺度上也有效，大约 30-50 纳米。”

能够在这个层面上操纵过程是开创性的，理解机器人系统如何以间接方式执行任务，将流体动力学和媒体的物理相互作用作为微型机器人设计的一部分，是关键。

Stebe 和她的团队现在能够想象这项技术在光学设备行业以及许多其他领域的实际应用。可以使用温度和光作为微型机器人任务的控制来设计智能材料，了解它们的环境。

“与敬业的同事和研究生一起，我们一直在努力研究这项技术，很高兴看到多年的工作取得成果，”她说。“我们现在站在实际应用的边缘，准备探索。”