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

  近日，東南大學(xué)智能材料研究院、化學(xué)化工學(xué)院李全院士團(tuán)隊在微型膠體機(jī)器的組裝和操控方面取得重要突破。相關(guān)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(xué)院院刊）上。東南大學(xué)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(jī)器人是指能在微納尺度下實(shí)現(xiàn)可控驅(qū)動和感知，最終實(shí)現(xiàn)體內(nèi)藥物遞送和疾病治療的復(fù)雜體系。受自然界蜂群魚群等啟發(fā)，微型機(jī)器人集群憑借其協(xié)同推進(jìn)，遞送和信號傳輸模式而受到越來越多的關(guān)注。外場響應(yīng)性膠體作為新型的微型機(jī)器人體系，其動態(tài)組裝可作為機(jī)器人集群的有效手段。然而目前已有的膠體機(jī)器人組裝結(jié)構(gòu)僅限于密集的膠粒團(tuán)聚體，大大限制了其功能性。如何構(gòu)建復(fù)雜的膠體組裝結(jié)構(gòu)功能體系，建立相應(yīng)的構(gòu)效關(guān)系是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。


  李全院士團(tuán)隊提出了一種介穩(wěn)態(tài)的膠體結(jié)構(gòu)組裝方法，通過組裝路徑設(shè)計，首次實(shí)現(xiàn)了由超順磁性膠體微球組裝成復(fù)雜的三維空心管狀結(jié)構(gòu)。該方法適用范圍廣，能實(shí)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(fù)組裝。


圖1.膠體薄膜在磁場作用下卷曲成微管結(jié)構(gòu)的組裝過程，實(shí)驗(yàn)（A）和模擬（B）。


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


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


  相比于其他組裝結(jié)構(gòu)，微管機(jī)器人的介穩(wěn)結(jié)構(gòu)可以維持其徑向反復(fù)壓縮。壓縮程度隨外部磁場強(qiáng)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(xì)胞等柔性貨物進(jìn)行擠壓，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的原位探測。



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

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