中科院力學(xué)所搭建基于三維Helmholtz線圈磁控系統(tǒng)

當(dāng)前，能夠自主運(yùn)動(dòng)的微馬達(dá)（Micromotor）技術(shù)得到了發(fā)展和關(guān)注。作為典型的活性顆粒，微馬達(dá)往往由表面物理化學(xué)屬性相異的兩部分組成，將周圍環(huán)境中的能量（如化學(xué)能等）轉(zhuǎn)化為自身運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。因此借用古希臘的兩面神，稱為Janus微馬達(dá)。一種典型的Janus球形微馬達(dá)一個(gè)半球材料為鉑（Pt）而另一半為SiO?，在H?O?溶液中于Pt表面發(fā)生催化分解反應(yīng)：。已有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Janus微馬達(dá)的尺寸達(dá)到幾十微米時(shí)，氧分子可以凝聚成核形成氣泡，Janus微馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制將從梯度場(chǎng)主導(dǎo)的泳動(dòng)驅(qū)動(dòng)（Phoretic Motion），轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽课馀萏峁﹦?dòng)力的氣泡驅(qū)動(dòng)（Bubble Propulsion）。得益于氣泡潰滅時(shí)的高能量，氣泡驅(qū)動(dòng)型微馬達(dá)運(yùn)動(dòng)最大速度可達(dá)0.1m/s，具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力，使其在高效水污染處理及醫(yī)療健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出較強(qiáng)應(yīng)用前景。

近年來(lái)，新興的游泳微機(jī)器人（Swimming Microrobot）技術(shù)要求氣泡微馬達(dá)研究在掌握流動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上增強(qiáng)可操控性，完成向氣泡微機(jī)器人（Bubble Microrobot）的升級(jí)。國(guó)際前沿研究報(bào)道了氣泡微機(jī)器人應(yīng)用于液氣界面附近的微組裝平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微芯片的一體化裝配；或被用于眼部輔助手術(shù)，為更換角膜及眼睛房水內(nèi)藥物輸運(yùn)提供新手段。而從氣泡微馬達(dá)到氣泡微機(jī)器人的升級(jí)，需要研究人員從機(jī)理可靠、智能可控及功能全面等三方面給出解決方案。

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納流動(dòng)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了新型磁控多工作模式的氣泡微機(jī)器人。研究搭建了三維Helmholtz線圈磁控系統(tǒng)，可對(duì)內(nèi)嵌磁性鎳層的Janus微球的朝向及運(yùn)動(dòng)通過(guò)手柄或程序進(jìn)行便捷且高效的操控（圖1），并首次提出通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)整液氣界面附近Janus微球的朝向，即可實(shí)現(xiàn)氣泡微機(jī)器人的遠(yuǎn)程速度調(diào)制（圖2）。

圖1 基于三維Helmholtz磁控系統(tǒng)采用手柄即可對(duì)氣泡微機(jī)器人進(jìn)行靈活操控

圖2 通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)整液氣界面附近Janus微球的朝向以實(shí)現(xiàn)氣泡微機(jī)器人的遠(yuǎn)程速度調(diào)制

此外，該研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了微氣泡潰滅引起射流的流動(dòng)特征，并通過(guò)調(diào)整Janus微球、微氣泡、目標(biāo)物的相對(duì)位置，利用射流流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)推進(jìn)、錨定、抓取等不同功能（圖3）。微氣泡在液氣界面附近潰滅還會(huì)產(chǎn)生表面毛細(xì)波，可對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)顆粒進(jìn)行大范圍清掃（圖4），且表面波遠(yuǎn)場(chǎng)功能與與射流近場(chǎng)功能可進(jìn)行可控切換。

圖3 通過(guò)調(diào)整Janus微球、微氣泡、目標(biāo)物的相對(duì)位置，利用射流流動(dòng)及表面波實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)推進(jìn)、錨定、抓取、清掃等不同功能

圖4 遠(yuǎn)場(chǎng)作用