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微型游泳机器人可以在微观层面上重组材料

时间:2022-12-06 作者:超级管理员 点击:407次

           

  控制微观过程本身就具有挑战性。我们用来宏观操纵物质的工具不能简单地缩小到细胞的大小。虽然它们可以按比例缩小,但当它们瞄准纳米时,它们的物理力会产生不同的效果。虽然不是一件容易的事,但实现这种控制将带来巨大的好处:无论是将药物输送到肿瘤以进行精确治疗,还是从称为胶体的液体悬浮构建块中制造功能材料,宾夕法尼亚大学。大学工程师正在努力使这些过程更快、更安全、更可靠。


  管理这些流程的一种方法是使用小型机器人。

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  我们经常将机器人视为计算机化的机器,例如装配线上或仓库中的机器,可以对它们进行编程以移动物体并构建复杂的结构,例如汽车和手机。然而,比微芯片还小的编程机器是另一个挑战。这种尺寸的机器人太小而无法计算机化,其设计必须与更大的机器人完全不同,并且遵循完全不同的物理和化学定律。


  由于微型机器人对于自己的机器来说太小了,它们依靠外部磁力移动。为了处理一件微小的货物,他们必须利用各种物理和化学定律来操纵微观尺度。在这些维度上,每个物体都受到周围分子的极大影响。被周围大气等气体包围或浸入液体中的微型机器人的设计必须通过“物理智能”的概念来利用这种效应。


  通过了解系统、周围的介质和其中的粒子,小型、具有物理智能的机器人可以执行各种任务。化学与生物分子工程与机械工程与应用力学教授,姚天一,原博士他实验室的学生张启兴目前是一名医生。卢布尔雅那大学教授团队的学生和合作者正在进行基础研究,为了解构成每个液晶显示器(LCD)的向列液晶(NLC)胶体流体中的这些小规模相互作用提供基础屏幕上的像素。


  “向列液晶作为一种特殊相存在,它是一种既不是液体也不是固体的结构化液体,”Stebe说。“NLC由细长的分子组成,这些分子以需要最少能量的配置自行排列。想想摇晃一锅米饭;所有纹理都排成一行。当你通过引入小型机器人或胶体物体来破坏排列时,对于例如,有一些有趣的动力学在水中是看不到的。NLC的物理学使我们能够研究这些独特的相互作用。”


  在《高级功能材料》发表的一项研究中,该团队描述了一种四臂磁控微型机器人,它可以游泳、运输货物,并在这种复杂的流体中主动结合粒子。“我们从创造复杂行为的复杂形状开始,”Stebe说。“在这里,微型机器人由外部磁场引导,并利用它们的物理智能将颗粒作为货物捡起,然后在它们游到有纹理的表面时与它们发生碰撞。表面上的凹槽的大小只能吸引和容纳颗粒.事实上,正是这种曲面设计激发了四足微型机器人的设计灵感。我们利用胶体的物理形态、表面化学和NLC中的特定动力学来控制它。


  “然而,我们观察这些复杂功能的次数越多,我们对它们的了解就越少,”他补充道。“我们需要回到基础来真正解释这里发生的事情。”这个机器人会游泳吗?它如何保持和移动粒子?在另一项发表在《科学进展》期刊上的研究中,该团队用一个更简单的小型机器人回答了这些问题。


  Stebe说“板状让我们更好地了解微型机器人的游泳能力,在这里你可以看到,当板块的一侧向上倾斜时,其下方会产生拓扑缺陷。拓扑缺陷与板块本身的相互作用会产生能量梯度,使板块自行移动。”


  机器人游泳功能的拓扑失效是由于NLC的复杂组织,这与水等无序液体有很大不同。


  “利用向列液晶的物理特性,”这两项研究的主要作者Yao说,“我们可以构建一个具有物理智能的微型机器人系统。我们可以远程交互,调整结合强度,重新配置空间。。“.虽然我们已经证明这些相互作用是在微观尺度上发生的,但流行物理学也适用于非常小的尺度,大约30-50纳米。”


  在这个级别操纵过程的能力是开创性的,并且是理解机器人系统如何以间接方式执行任务的关键,这种间接方式涉及流体动力学和作为微型机器人设计一部分的媒体之间的物理交互。


  Stebe和他的团队现在可以设想这项技术在光学设备行业以及许多其他领域的实际应用。温度和光可以作为设计智能材料和了解其环境的小型机器人任务的控制。“与我们敬业的同事和研究生一起,我们一直在努力研究这项技术,并很高兴看到多年工作的成果,”他说。“我们现在正处于实际应用的边缘,准备探索。”



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