能夠自主運動的微馬達（Micromotor）技術(shù)得到了發(fā)展和關(guān)注。作為典型的活性顆粒，微馬達往往由表面物理化學(xué)屬性相異的兩部分組成，將周圍環(huán)境中的能量（如化學(xué)能等）轉(zhuǎn)化為自身運動的動能。因此借用古希臘的兩面神，稱為Janus微馬達。一種典型的Janus球形微馬達一個半球材料為鉑（Pt）而另一半為SiO2，在H2O2溶液中于Pt表面發(fā)生催化分解反應(yīng)：。已有研究發(fā)現(xiàn)，當Janus微馬達的尺寸達到幾十微米時，氧分子可以凝聚成核形成氣泡，Janus微馬達的運動機制將從梯度場主導(dǎo)的泳動驅(qū)動（PhoreticMotion），轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽课馀萏峁﹦恿Φ臍馀蒡?qū)動（BubblePropulsion）。得益于氣泡潰滅時的高能量，氣泡驅(qū)動型微馬達運動最大速度可達0.1m/s，具有較強的運動能力，使其在高效水污染處理及醫(yī)療健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出較強應(yīng)用前景。
圖1.基于三維Helmholtz磁控系統(tǒng)采用手柄即可對氣泡微機器人進行靈魂操控
圖2.通過磁場調(diào)整液氣界面附近Janus微球的朝向以實現(xiàn)氣泡微機器人的遠程速度調(diào)制
圖3.通過調(diào)整Janus微球、微氣泡、目標物的相對位置，利用射流流動及表面波實現(xiàn)了對目標推進、錨定、抓取、清掃等不同功能
圖4.遠場作用
近年來，新興的游泳微機器人（SwimmingMicrorobot）技術(shù)要求氣泡微馬達研究在掌握流動機理的基礎(chǔ)上增強可操控性，完成向氣泡微機器人（BubbleMicrorobot）的升級。國際前沿研究報道了氣泡微機器人應(yīng)用于液氣界面附近的微組裝平臺，實現(xiàn)對微芯片的一體化裝配；或被用于眼部輔助手術(shù)，為更換角膜及眼睛房水內(nèi)藥物輸運提供新手段。而從氣泡微馬達到氣泡微機器人的升級，需要研究人員從機理可靠、智能可控及功能全面等三方面給出解決方案。
中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點實驗室微納流動研究團隊發(fā)展了新型磁控多工作模式的氣泡微機器人。研究搭建了三維Helmholtz線圈磁控系統(tǒng)，可對內(nèi)嵌磁性鎳層的Janus微球的朝向及運動通過手柄或程序進行便捷且高效的操控（圖1）。研究首次提出通過磁場調(diào)整液氣界面附近Janus微球的朝向，即可實現(xiàn)氣泡微機器人的遠程速度調(diào)制（圖2）。研究通過實驗揭示了微氣泡潰滅引起射流的流動特征，并通過調(diào)整Janus微球、微氣泡、目標物的相對位置，利用射流流動實現(xiàn)了對目標推進、錨定、抓取等不同功能（圖3）。微氣泡在液氣界面附近潰滅還會產(chǎn)生表面毛細波，可對遠場顆粒進行大范圍清掃（圖4），且表面波遠場功能與與射流近場功能可進行可控切換。
相關(guān)研究成果以Multimodalbubblemicrorobotnearanair-liquidinterface為題，發(fā)表在Small上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點研究計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。
圖1.基于三維Helmholtz磁控系統(tǒng)采用手柄即可對氣泡微機器人進行靈魂操控
圖2.通過磁場調(diào)整液氣界面附近Janus微球的朝向以實現(xiàn)氣泡微機器人的遠程速度調(diào)制
圖3.通過調(diào)整Janus微球、微氣泡、目標物的相對位置，利用射流流動及表面波實現(xiàn)了對目標推進、錨定、抓取、清掃等不同功能
圖4.遠場作用
