磁性微型机器人利用毛细作用力将粒子固定到位

在微观层面上，挑选、放置、收集和排列物品是一项持续的挑战。纳米技术的进步意味着我们想要建造这些尺寸的更复杂的东西，但是我们缺乏移动它们的部件的工具。

现在，宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院的一项新研究表明，一个由磁场驱动的简单微型机器人如何利用毛细作用力来操纵漂浮在油水界面上的物体。

这个系统已经在《应用物理快报》年发表的一项研究中得到证明。

这项研究由宾夕法尼亚大学工程与化学及生物分子工程系的Richer和Elizabeth Goodwin教授Kathleen Stebe和她的实验室的研究生姚天翼领导。施泰贝实验室的博士后研究员尼古拉斯齐索姆和宾夕法尼亚工程大学GRASP实验室的研究科学家爱德华斯蒂格为这项研究做出了贡献。

宾夕法尼亚大学研究团队的微型机器人是一片薄薄的磁铁，直径约为三分之一毫米。虽然没有自己的移动部件或传感器，但研究人员仍然称它们为机器人，因为它们可以拾取和放置比它们小的物体。

这种能力是这些微型机器人工作的特殊环境的功能：两种液体之间的界面。在这项研究中，界面是水和十六烷，一种常见的油。一旦到达那里，机器人将使界面的形状变形，从而被毛细管相互作用的无形“力场”所包围。

将水从树根吸到树叶上的毛细作用力在这里被用来将塑料颗粒吸到与机器人接触，或者使已经粘附在它边缘的其他颗粒与机器人接触。

“我们过去用这些毛细作用力来组装东西，但现在，机器人和粒子变轻了，它们的直径缩小了几个数量级，”Stebe说。“当你下降到微米级别时，这意味着另一个物理原理控制了失真。收集和组织直径几十微米的物体是一项伟大的成就，而不是我们将手工完成的事情。”

这项研究证明了控制这些微型机器人和它们想要操纵的塑料粒子之间相互作用的物理机制。

Stebe说：“过去，我们拍摄静态物体并使其周围变形，然后展示粒子是如何被吸引到这些变形的‘高曲率’区域的。现在，我们有了一块磁铁，而不是一个静止的物体，它可以作为运动失真的来源。”

齐索姆说：“这让事情变得更加复杂。”“当机器人向粒子移动时，它会产生一个流场，将粒子推开，因此流体动力排斥力和毛细引力现在相互作用。粒子遵循最小能量，这可能意味着向上运动。”

使用方形机器人，研究人员发现，一旦粒子超过变形峰值，它们就会被强烈吸引到角落。这是一个潜在有用的属性，因为机器人可以从不同的角度和方向接近目标，最终仍然将粒子放置在可预测的位置。

Stebe说：“我们已经证明，当你改变机器人的形状时，它会改变交互的类型和强度。“尖角像严酷的死亡一样抓住粒子，但当我们软化角时，我们可以旋转机器人来释放它们。”

除了软方块，研究人员还实验了一个圆形机器人和一个花形机器人。它们都具有额外的优势，即通过原地旋转来精确释放货物，其中花形机器人的“花瓣”提供了对货物颗粒位置的最精确控制。

最后，团队展示了一个扩展坞。坞站由一块静态波纹塑料组成，位于接口的上方和下方。这种布置在材料穿过界面的地方提供了一组非常可预测的变形。

Steager说：“我们可以移动这些机器人并收集东西，通过一次拾取一个零件并将它们对接在我们想要的位置来构建非常复杂的材料。”

因为机器人和粒子之间的相互作用与制造它们的材料无关，所以它可能会被广泛使用。

“我们在这项研究中操纵的粒子大约是人类细胞的平均大小或更小，”姚说。“因此，该系统有可能与磁性微型机器人一起应用于单细胞生物学领域。在实验的不同阶段移动单个细胞。”

他说：“这些粒子也可能是传感器系统的一部分。”“如果在界面上安装机器人和传感器粒子，就可以收集这些粒子，并以出色的空间控制将整个组件带到目标区域。在这种情况下，需要非常低浓度的传感器颗粒，并且它们可以在测试后轻松回收。”

未来的工作将包括开发一个更大的微型机器人形状和行为库来操纵其环境中的物体，以及一个更强大的传感和控制系统来使机器人具有更大的自主性。