作者:崔继斋等 来源:《自然》 发布时间:2019/12/9 21:06:13
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科学家让纳米级“变形金刚”灵动起来

Laura Heyderman(左)和黄天云(中)看着一只折纸鸟的模型,崔继斋(右)则在显微镜下观察真正的微型机器人。 图片来源:保罗谢尔研究所

过去几年里,软体机器人采用了类似的原理实现运动。不过,因为几何结构和驱动控制的限制,只能产生一种形变。想要让它真正大展“身手”,还需要通过精确计算外部磁场作用于磁体上的力和力矩建立模型并定量描述,设计机器人的运动。

谈起变形金刚大家可能并不陌生,但是纳米级的变形金刚你见过吗?

比起体积庞大的刚性机器人,由软材料或具有柔性结构的材料构建的微型机器人似乎能够更安全地与人类互动。不过想要让它们随心所欲地“变身”,科学家费尽了脑筋。

近日,瑞士联邦理工学院、保罗谢尔研究所研究员崔继斋、博士黄天云所在团队通过对单个区域的纳米磁体进行设计,将形状变化指令通过编程的方式输入微型机器人。对纳米磁体施加特殊的磁场序列后,实现微型机器人的形状变化。相关成果发表于《自然》。

搭建磁控系统

如何让机器人跟着你“左手右手一个慢动作”?老祖宗早就告诉了我们答案。

中国古代典籍《鬼谷子》与《韩非子》中曾提出,磁石是与地球磁场相一致的矿物质,并将其应用于早期的罗盘。只要磁场发生改变,罗盘的指针就会发生转动。

假如我们把罗盘的指针想象成机器人的四肢,便可一目了然。

过去几年里,软体机器人就采用了类似的原理实现了运动。不过,因为几何结构和驱动控制的限制,只能产生一种形变。想要让它真正大展“身手”,还需要通过精确计算外部磁场作用于磁体上的力和力矩建立模型,并定量描述来设计机器人的运动。

论文通讯作者崔继斋告诉《中国科学报》,“想让机器人灵活运动,你需要反复改变磁场条件,普通磁铁是做不到的。不过,使用我们搭建的磁性控制系统,通过线圈改变信号就便捷得多。”

此外,机器人的形状大小设计也至关重要,这直接决定了它的未来应用。“磁性软体机器人的进一步小型化可能带来新的应用,如在最小的血管中进行操作甚至操纵单个细胞,如定向药物输运、生物活检以及心脏支架安置等。”崔继斋说,“这不是黑科技,而是能够广泛应用。”

“我们研制的机器人最小只有几微米大小,是真正的微纳米级机器人。”他说。

让机器人“大展身手”

那么,有没有什么方法可以让微纳米机器人自由变换形态?为此,团队提出了一种新的策略,即在微纳米机器人上制备了单磁畴的纳米磁体,从而使得变形信息可以被重复编码到微纳米机器人中。

瑞士联邦理工学院教授Laura Heyderman告诉《中国科学报》,实验人员使用了高精度电子束曝光的方法来加工纳米磁体和机器人的结构。“机器人的结构由纳米尺度的弹簧和刚体面板组成。我们向机器人施加了一系列不同大小和方向的磁场,对机器人进行变形信息的编码。”

“机器人的加工非常困难。我们花费了三年的时间,才开发出理想的纳米加工流程。”她说。

首先,团队在柔性氮化硅(Si3N4)薄片基板上制备纳米级钴磁体阵列,即在纳米薄膜上“生长”磁体。“因为需要很高的热量,不可避免地就会出现热胀冷缩。但是纳米薄膜非常敏感, 温度一高就起褶皱发生形变,所以这需要很高的工艺。”

论文通讯作者黄天云给《中国科学报》打了一个形象的比喻,“我们在纳米薄膜上去‘生长’磁体。小磁体有磁性,需要和外部磁场一致。通过设计磁体方向让一部分磁体向左、一部分向右。这样,如果加个向上磁场,小磁体就会带着基板向上竖立起来。施之相反的磁场方向,基板就会向下。由此产生折叠变形的效果”。

由于磁滞作用,在没有外加磁场的情况下,这种钴纳米磁性材料仍能保持磁性。这和纳米磁铁的形状息息相关。通常来说,细长的纳米磁体更难磁化。通过施加一系列不同大小和方向的磁场,可以编辑基板上不同形状的纳米磁体的磁化方向。

由此产生的薄片组合经过“编程”可以在驱动磁场中形变得到特定的结构。这些结构可以进一步组装成复杂的形状,比如字母,甚至可以用显微镜来观察组装得到的“鸟”的转身、振翅和滑翔等。

最后,研究人员在液体中释放机器人,测试变形能力,均取得满意效果。

“进得去”还要“出得来”

近年来,科研领域涌现了许多不同的磁性微纳米机器人,可以通过将微米磁性颗粒(5微米),或者超顺磁纳米磁体(10~20纳米)嵌入到微纳米机器人中,或者给微纳米机器人镀上磁性薄膜等制成。

尽管研制手段不同,但是各有其用途。“嵌有微米磁性颗粒的机器人普遍为毫米大小。此尺寸虽然不适用于血管中的操作与应用,但是对于人眼和肠胃中的操作却很理想。嵌有超顺磁纳米磁体和镀有磁性薄膜的微纳米机器人可以做到小于一微米的尺度。这种机器人可以用作定向药物输运的媒介。” 崔继斋说。

不同于光和热,磁场可以安全地穿透生物组织。这也是磁控机器人的一大优势。

这一特性使得磁场控制非常适合生物医学应用。黄天云介绍,团队研发的纳米磁控微型软体机器人未来有望放在眼球里治疗白内障,还可治疗脑血栓等疾病。“不用开颅,通过进入血管系统,在局部的靶点即可起到疏通血管的治疗效果。”

不过,想要真正实现应用,微纳米机器人不仅能“进得去”还要“出得来”。如何从生物体中回收微纳米机器人是个不小的挑战。目前,科研人员正在加工可以生物降解的微纳米机器人。

黄天云表示,纳米磁控微型软体机器人还可被广泛应用于生物医学以外的领域,如未来的智能微系统,三维磁性超材料、光学超材料以及柔性电子器件等。所有这些工作都为这一新型领域奠定基础。(来源:中国科学报 程唯珈)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1713-2

 
 
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