在材料科學中，液滴操作能為水收集、醫(yī)學診斷和藥物傳遞技術(shù)做出貢獻。雖然基于結(jié)構(gòu)的液體操作廣泛應用于自然界和生物啟發(fā)的人工材料，但實驗室的策略依賴于固定結(jié)構(gòu)的單向水運動。發(fā)表在《科學進展》的一項新研究中，An Li和中國科學院化學研究所一個研究小組提議開發(fā)一種磁控機器人。該結(jié)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)來分配阻力和確定液滴行為。該機器人能夠運輸、分裂、釋放和旋轉(zhuǎn)液滴，適用于各種領(lǐng)域和惡劣環(huán)境。新的發(fā)現(xiàn)為自動控制液滴提供了一種有效的策略。
 

 

　　在這項研究中，An Li等人想出了一種可靠的方法，在可編程的磁場中，使用帶鋼珠的磁性驅(qū)動機器人操縱液滴?？茖W家們通過調(diào)節(jié)磁場來控制機器人的結(jié)構(gòu)。不同的機器人結(jié)構(gòu)導致不同的液滴行為組合，包括分裂、釋放、旋轉(zhuǎn)和運輸。適用于水、油、氣等各種流體。An Li等人幫助機器人在有限的空間、不平整的表面甚至在無水或無氧條件下驅(qū)動。這項工作在材料運輸、微細加工和臨床醫(yī)學方面具有巨大的潛力。

 

　　實驗室里的液滴操作是受到大自然的啟發(fā)。例如，就植物和動物來看，在仙人掌中展示了霧收集系統(tǒng)，在蜘蛛絲上展示了水收集系統(tǒng)，并影響了納米布沙漠甲蟲收集和移動水的行為。水樣采集的非對稱性和固有的結(jié)構(gòu)會引起液滴的拉普拉斯壓力梯度，使液滴向預定的方向運動。研究人員可以使用各種外部策略，包括電、磁鐵、聲學和濕潤的表面來驅(qū)動它們的運動。其中，磁力具有遠程操作、安全、易于控制等優(yōu)點。研究人員曾利用磁性粒子將水滴拖過疏水性或有圖案的表面，并穿過對磁性有反應的材料。
 

 

　　An Li等人將磁性控制系統(tǒng)中的兩顆鋼珠命名為“機器人”，并用食品添加劑給水滴上色，以明確識別不同的驅(qū)動模式。這個親水的機器人很容易就能捕捉到接觸到的水滴。研究小組轉(zhuǎn)移液滴并調(diào)整其結(jié)構(gòu)，通過減少或增加珠子之間的距離來分裂子液滴或釋放液滴。該過程主要依賴于機器人結(jié)構(gòu)，其體積(V)影響結(jié)果。An Li等人使用珠子的中心到中心的距離(D/ D)來量化機器人的結(jié)構(gòu)。例如,機器人D/D比率為1.67可以傳輸150?L滴的水。然而,如果滴液擴大到350?L,它會分裂。為了理解這一點，他們對整個系統(tǒng)進行了機械分析，然后確定設(shè)備背后的驅(qū)動力是珠子和液滴之間的粘附力。

 

　　在控制了空氣中的水滴后，研究小組研究了機器人在不同的條件下，包括不同的環(huán)境。例如，通過克服重力和不同液滴與基質(zhì)之間的粘附力來拖動液滴上下移動。這種裝置在有限的空間內(nèi)，如在微流體學和臨床醫(yī)學中至關(guān)重要的盒子和管道中有應用。無損傳輸和準確的試劑控制是定量化學微反應的關(guān)鍵，微反應廣泛應用于分析化學、診斷學和生物技術(shù)中。例如，An Li等人通過可編程的液滴操控機器人，進行了連續(xù)的酸堿中和反應，將子液滴分裂開來，并將其轉(zhuǎn)化為中性液滴。這些機器人提供了一種通用的方法來自動控制液滴，以進行微反應，這些試劑通常具有毒性，放射性或爆炸性。
 

 

　　研究人員隨后在實驗室中模擬生物醫(yī)學過程，以探索機器人在體內(nèi)醫(yī)學應用中的潛力。他們首先模擬了在腎臟和膽囊等器官中發(fā)現(xiàn)結(jié)石或礦物質(zhì)沉積，由于結(jié)構(gòu)限制，無法通過手術(shù)切除，這些器官通常保持完整。利用微型機器人，他們將一個藥物液滴拖到模擬的結(jié)石上，以便于收集和移除結(jié)石(基于兩個表面的相容性)。在接下來的實驗中，他們展示了機器人通過在積累過量膽固醇的冠狀動脈中移除或清理血管的潛力。先是將藥物液滴輸送到模擬的斑塊中，然后將藥物溶解，由機器人處理。這些創(chuàng)新的方法可以在體內(nèi)醫(yī)學應用中具有多種功能。

 

　　通過這種方式，An Li和他的同事們提出了一種簡單而通用的策略，即利用由兩顆鋼珠組成的磁性驅(qū)動機器人來操縱液滴。他們利用磁場來控制液滴前后的電阻力分布，從而控制液滴的結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了液滴的輸送、分裂、釋放和旋轉(zhuǎn)等多種行為。除了操縱空氣中的水滴，該機器人還有望運輸復雜的液體，如油、油中水和水中氣。

 

　　鋼珠顯示出液滴在有限空間內(nèi)的可操作性，包括有毒和放射性環(huán)境。這項工作在器件制造、傳感和生物測定以及體內(nèi)醫(yī)學等領(lǐng)域具有重要的發(fā)展?jié)摿?。該團隊設(shè)想，該系統(tǒng)的進一步優(yōu)化將允許在納升和皮升級別上進行較小的液滴操作，并增強生物相容性。