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東南大學李全院士團隊 PNAS(美國國家科學院院刊):微管膠體機器人
2023-09-08  來源:高分子科技

  近日,東南大學智能材料研究院、化學化工學院李全院士團隊在微型膠體機器的組裝和操控方面取得重要突破。相關成果以“Colloidal tubular microrobots for cargo transport and compression”為題,在線發(fā)表在國際頂級期刊PNAS(美國國家科學院院刊)上。東南大學博士生王小雨為第一作者,李全院士和楊濤副教授為共同通訊作者。


  微納機器人是指能在微納尺度下實現(xiàn)可控驅(qū)動和感知,最終實現(xiàn)體內(nèi)藥物遞送和疾病治療的復雜體系。受自然界蜂群魚群等啟發(fā),微型機器人集群憑借其協(xié)同推進,遞送和信號傳輸模式而受到越來越多的關注。外場響應性膠體作為新型的微型機器人體系,其動態(tài)組裝可作為機器人集群的有效手段。然而目前已有的膠體機器人組裝結構僅限于密集的膠粒團聚體,大大限制了其功能性。如何構建復雜的膠體組裝結構功能體系,建立相應的構效關系是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。


  李全院士團隊提出了一種介穩(wěn)態(tài)的膠體結構組裝方法,通過組裝路徑設計,首次實現(xiàn)了由超順磁性膠體微球組裝成復雜的三維空心管狀結構。該方法適用范圍廣,能實現(xiàn)從200納米到30微米超順磁性膠粒在包括血液在內(nèi)的非牛頓流體內(nèi)的多次反復組裝。


1.膠體薄膜在磁場作用下卷曲成微管結構的組裝過程,實驗(A)和模擬(B。


  組裝的微管機器人可以通過外部磁場精確控制三維趨向,推進方向和速度,使其按照既定路線前進。微管內(nèi)部的中空空間為管狀微型機器人載物提供了前提條件,結合外部磁場的運動控制,微管能夠根據(jù)指令定向抓取、運輸和釋放貨物。此外,兩個微管機器人能沿軸向合并,重組成新的機器人。


2.外部磁場控制微管機器人的運動方向(A,貨物抓取運輸(B)及軸向組裝(C)。


  相比于其他組裝結構,微管機器人的介穩(wěn)結構可以維持其徑向反復壓縮。壓縮程度隨外部磁場強度改變,極限情況下幾乎被壓縮成兩個平行層。因此微管可用作微鑷子對捕獲的紅細胞等柔性貨物進行擠壓,實現(xiàn)對目標物體的原位探測。



  原文鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304685120

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