在微觀尺度上，拾取，放置，收集和布置物體是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。納米技術(shù)的進(jìn)步意味著，我們希望以這些尺寸構(gòu)建更復(fù)雜的東西，但缺少用于移動(dòng)其組成部分的工具。
現(xiàn)在，賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的一項(xiàng)新研究表明，由磁場遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)的簡單的微觀機(jī)器人如何利用毛細(xì)作用力來操縱漂浮在油水界面的物體。
該系統(tǒng)在《應(yīng)用物理快報(bào)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中得到了證明 。
這項(xiàng)研究由賓夕法尼亞大學(xué)工程與化學(xué)和生物分子工程學(xué)系的Richer和Elizabeth Goodwin教授Kathleen Stebe以及她實(shí)驗(yàn)室的研究生Yao Tianyi主持。Stebe實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Nicholas Chisholm和Penn Engineering的GRASP實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家Edward Steager對(duì)該研究做出了貢獻(xiàn)。
賓夕法尼亞大學(xué)研究小組的微型機(jī)器人是一塊磁鐵的薄片，直徑約三分之一毫米。盡管沒有自己的活動(dòng)部件或傳感器，研究人員仍將它們稱為機(jī)器人，因?yàn)樗鼈兡軌蚴叭『头胖帽绕溥€小的物體。
這種能力是這些微型機(jī)器人在其中工作的特殊環(huán)境的功能：在兩種液體之間的界面。在這項(xiàng)研究中，界面位于水和十六烷(一種常見的油)之間。一旦到達(dá)那里，機(jī)器人就會(huì)使該界面的形狀變形，從而基本上被毛細(xì)管相互作用的不可見“力場”圍繞在自身周圍。
從樹的根部吸取水分到其葉子的毛細(xì)作用力在此用于吸取塑料微粒使其與機(jī)器人接觸，或者使其他已經(jīng)粘附在其邊緣的微粒與機(jī)器人接觸。
“我們以前曾利用這些毛細(xì)作用力來組裝東西，但是現(xiàn)在，機(jī)器人和粒子更輕了，直徑也減小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，” Stebe說。“當(dāng)您下降到微米級(jí)時(shí)，這意味著由另一種物理原理來控制畸變。收集和組織直徑幾十微米的物體是一個(gè)很大的成就，而不是我們將要手工完成的事情。”
這項(xiàng)研究證明了控制這些微型機(jī)器人與它們所要操縱的塑料顆粒之間相互作用的物理機(jī)制。
Stebe說：“過去，我們拍攝了靜態(tài)物體并對(duì)其周圍進(jìn)行了變形，然后展示了粒子如何被吸引到這些變形的'高曲率'區(qū)域。現(xiàn)在，我們有了一個(gè)磁鐵，代替了一個(gè)靜態(tài)物體，它可以作為移動(dòng)失真源。”
奇斯霍爾姆說：“這使事情變得更加復(fù)雜。” “當(dāng)機(jī)器人朝著粒子移動(dòng)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)將粒子推開的流場，因此現(xiàn)在流體動(dòng)力排斥力和毛細(xì)吸引力相互影響。粒子遵循最小能量，這可能意味著向上移動(dòng)。”
使用方形機(jī)器人，研究人員發(fā)現(xiàn)，一旦粒子超過變形峰，就會(huì)被強(qiáng)烈吸引到角落。這是一個(gè)潛在有用的屬性，因?yàn)闄C(jī)器人可以從各種角度和方向接近目標(biāo)，并且最終仍將粒子放置在可預(yù)測(cè)的位置。
“我們已經(jīng)證明，當(dāng)您更改機(jī)器人的形狀時(shí)，會(huì)更改交互的類型和強(qiáng)度，” Stebe說。“鋒利的角落像嚴(yán)酷的死亡一樣緊緊抓住粒子，但是當(dāng)我們?nèi)峄锹鋾r(shí)，我們可以旋轉(zhuǎn)機(jī)器人以釋放它們。”
除了柔軟的正方形外，研究人員還試驗(yàn)了一個(gè)圓形機(jī)器人以及一個(gè)花形機(jī)器人。它們都具有通過旋轉(zhuǎn)就位來精確釋放貨物的額外優(yōu)勢(shì)，其中花形機(jī)器人的“花瓣”提供了對(duì)貨物顆粒位置的最精確控制。
最后，團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)擴(kuò)展塢。擴(kuò)展塢由一塊靜態(tài)的波浪塑料組成，位于接口的上方和下方。這種布置在材料穿過界面的位置提供了一組非?？深A(yù)測(cè)的變形。
Steager說：“我們可以移動(dòng)這些機(jī)器人并收集東西，通過一次撿起一個(gè)零件并將它們停靠在我們想要的位置來構(gòu)建非常復(fù)雜的材料。”
由于機(jī)器人和粒子之間的交互作用與它們制成的材料無關(guān)，因此可能有廣泛的應(yīng)用。
“我們?cè)谶@項(xiàng)研究中操縱的粒子大約是人類細(xì)胞的平均大小或更小，” Yao說，“因此，這種系統(tǒng)可能會(huì)在具有磁性微型機(jī)器人的單細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)的不同階段移動(dòng)單個(gè)細(xì)胞。”
他說：“這些微粒也可能是傳感器系統(tǒng)的一部分。” “如果您在界面上安裝了機(jī)器人和傳感器粒子，則可以收集這些粒子，并以極好的空間控制程度將整個(gè)裝配帶到目標(biāo)區(qū)域。在這種情況下，需要非常低濃度的傳感器顆粒，并且可以在測(cè)試后輕松收回它們。”
未來的工作將涉及開發(fā)更大的微型機(jī)器人形狀和行為庫，以操縱其環(huán)境中的對(duì)象，以及更強(qiáng)大的感測(cè)和控制系統(tǒng)，以使機(jī)器人具有更大的自主權(quán)。
