磁驅(qū)動微型軟體機器人可在復(fù)雜受限的環(huán)境中進行靈活的運動，廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)、細(xì)胞/藥物輸送等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。其中，基于彈性體、水凝膠的微型軟體機器人可通過磁疇編輯實現(xiàn)預(yù)先設(shè)計的形狀變形，但基體的固體性質(zhì)限制其變形能力。相比之下，基于液體的微型軟體機器人(如鐵磁流體、液態(tài)金屬)表現(xiàn)出優(yōu)異的可變形性和形態(tài)適應(yīng)性。目前，針對可相變的磁性軟體機器人的研究相對有限。因此，開發(fā)一種具有多相態(tài)可逆轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)多種功能的磁機器人仍然是一個挑戰(zhàn)。
近日，西安交通大學(xué)唐敬達課題組利用溫度敏感相變聚合物以及交頻磁場加熱技術(shù)，報道了一種可實現(xiàn)固態(tài)、液態(tài)和粘流態(tài)三相態(tài)轉(zhuǎn)換并具有多功能的磁驅(qū)動微型機器人。研究成果以Magnetoactive millirobots with ternary phase transition為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。 所報道的磁驅(qū)動微型機器人由明膠相變聚合物和軟磁性四氧化三鐵納米顆粒組成（圖1a），在不同溫度下由于明膠微觀結(jié)構(gòu)的不同表現(xiàn)出多種相態(tài)（圖1b）。在溫度下降的過程中，隨機分布的多肽鏈會逐漸交聯(lián)形成三螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)，帶來微觀構(gòu)象從無序到有序的轉(zhuǎn)變，以及表觀相態(tài)從液態(tài)-粘流態(tài)-固態(tài)的轉(zhuǎn)換。通過交變磁場可以遠(yuǎn)程快速的實現(xiàn)磁感應(yīng)加熱，促使三螺旋結(jié)構(gòu)的水解，實現(xiàn)三相態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換。文中分析了三種相態(tài)的微型機器人在磁場驅(qū)動下獨特的運動及變形特性（圖1c-1f），發(fā)現(xiàn)在磁驅(qū)動下液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)微型機器人分別表現(xiàn)出良好的流動、不可逆的拉伸變形以及剛性的整體移動三種模式。
圖1. 三相態(tài)磁驅(qū)動微型機器人示意圖
研究人員使用流變儀對磁性液滴機器人的流變特性進行觀測表征。通過儲能模量G'' 和損耗模量G'''' 的對比，可有效區(qū)分不同溫度下的固、液兩種相態(tài)（圖2a-2b）。以動態(tài)粘度作為微觀結(jié)構(gòu)的表征參數(shù)，通過旋轉(zhuǎn)測試測定溫度，明膠濃度和磁性顆粒濃度等對粘度的影響（圖2c-2d）。隨著溫度的降低，粘度曲線會明顯經(jīng)歷低值平穩(wěn)、快速上升到高值固定的變化（圖2e），對應(yīng)從液態(tài)、粘流態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。利用以上測試?yán)L制表征粘度隨溫度、明膠濃度變化的相圖，實現(xiàn)三種相態(tài)的數(shù)值區(qū)分。
圖2. 三相態(tài)磁驅(qū)動微型機器人的流變特性
隨后，研究人員對液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)的磁驅(qū)動和變形能力分別進行探究。其中，液態(tài)磁驅(qū)動微型機器人在有效的非均勻磁場范圍內(nèi)可以實現(xiàn)良好穩(wěn)定的磁驅(qū)動運動(圖3a-3c)，以及彈性大變形（圖3d-3e），可實現(xiàn)在復(fù)雜地形中的穩(wěn)定導(dǎo)航（圖3h）并輕松通過直徑為 1.5 mm的狹窄通道（圖3i-3j）；
圖3. 液態(tài)磁驅(qū)動微型機器人的磁驅(qū)動運動和變形
固態(tài)磁驅(qū)動微型機器人具有剛性和穩(wěn)定的形狀，可在磁驅(qū)動下實現(xiàn)可控運動和針對物體的操縱（圖4a）。進一步地，研究人員通過兩兩相態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換，展示了磁驅(qū)動微型機器人的多功能操作。例如：通過液態(tài)和粘流態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，磁驅(qū)動微型機器人可先后在液態(tài)下完成原地分裂、管道導(dǎo)航、穿越柵欄、翻越障礙和合并融合，以及在粘流態(tài)下完成爬坡和3D電路修復(fù)等綜合任務(wù)。通過液態(tài)和固態(tài)之間的自由轉(zhuǎn)換，磁驅(qū)動微型機器人具有了動態(tài)剛度變化和形狀可重構(gòu)，實現(xiàn)了多物體操作、管道阻塞和在復(fù)雜環(huán)境中的連續(xù)運動和主動導(dǎo)航（圖4）。最后，通過液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)之間的三相態(tài)可逆轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了在人體胃模型內(nèi)的控制運動、藥物運輸和創(chuàng)口覆蓋等功能行為。固態(tài)磁驅(qū)動微型機器人可在胃模型內(nèi)受磁驅(qū)動運動；基于三相態(tài)的自由切換能力，磁驅(qū)動微型機器人可完成對藥物膠囊的變形包覆、粘附固定、主動運輸和智能釋放等多種任務(wù)；基于相態(tài)切換和形狀可重構(gòu)，磁驅(qū)動微型機器人可實現(xiàn)主動的大拉伸變形，在控制變形形狀和面積后完成對創(chuàng)口的固定覆蓋。
圖4. 三相態(tài)轉(zhuǎn)換的磁驅(qū)動微型機器人的多功能應(yīng)用
總結(jié)：提出了一種可實現(xiàn)三相態(tài)可逆轉(zhuǎn)換的磁性液滴微型機器人。其在三種相態(tài)：液態(tài)、粘流態(tài)和固態(tài)下具有不同的磁驅(qū)動和變形特性。通過相態(tài)之間的自由轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了不同相態(tài)磁性軟體機器人的優(yōu)勢互補，具有了在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定導(dǎo)航、形態(tài)適應(yīng)、形狀重構(gòu)、可控剛度和導(dǎo)電等多功能，有望在柔性電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
論文第一作者為西安交通大學(xué)航天學(xué)院研究生魏黃三，通訊作者為西安交通大學(xué)唐敬達副教授。
上述研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、王寬誠教育基金會等資助。
論文鏈接：https://achs-prod.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c13627
