西安交大唐敬达课题组《ACS AMI》: 三相态磁驱动微型机器人

2024-01-25 来源：高分子科技

磁驱动微型软体机器人可在复杂受限的环境中进行灵活的运动，广泛应用于微创手术、细胞/药物输送等生物医学领域。其中，基于弹性体、水凝胶的微型软体机器人可通过磁畴编辑实现预先设计的形状变形，但基体的固体性质限制其变形能力。相比之下，基于液体的微型软体机器人(如铁磁流体、液态金属)表现出优异的可变形性和形态适应性。目前，针对可相变的磁性软体机器人的研究相对有限。因此，开发一种具有多相态可逆转换，实现多种功能的磁机器人仍然是一个挑战。

近日，西安交通大学唐敬达课题组利用温度敏感相变聚合物以及交频磁场加热技术，报道了一种可实现固态、液态和粘流态三相态转换并具有多功能的磁驱动微型机器人。研究成果以Magnetoactive millirobots with ternary phase transition为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。所报道的磁驱动微型机器人由明胶相变聚合物和软磁性四氧化三铁纳米颗粒组成（图1a），在不同温度下由于明胶微观结构的不同表现出多种相态（图1b）。在温度下降的过程中，随机分布的多肽链会逐渐交联形成三螺旋复合结构，带来微观构象从无序到有序的转变，以及表观相态从液态-粘流态-固态的转换。通过交变磁场可以远程快速的实现磁感应加热，促使三螺旋结构的水解，实现三相态的可逆转换。文中分析了三种相态的微型机器人在磁场驱动下独特的运动及变形特性（图1c-1f），发现在磁驱动下液态、粘流态和固态微型机器人分别表现出良好的流动、不可逆的拉伸变形以及刚性的整体移动三种模式。

图1. 三相态磁驱动微型机器人示意图

研究人员使用流变仪对磁性液滴机器人的流变特性进行观测表征。通过储能模量G'' 和损耗模量G'''' 的对比，可有效区分不同温度下的固、液两种相态（图2a-2b）。以动态粘度作为微观结构的表征参数，通过旋转测试测定温度，明胶浓度和磁性颗粒浓度等对粘度的影响（图2c-2d）。随着温度的降低，粘度曲线会明显经历低值平稳、快速上升到高值固定的变化（图2e），对应从液态、粘流态到固态的转变。利用以上测试绘制表征粘度随温度、明胶浓度变化的相图，实现三种相态的数值区分。

图2. 三相态磁驱动微型机器人的流变特性

随后，研究人员对液态、粘流态和固态的磁驱动和变形能力分别进行探究。其中，液态磁驱动微型机器人在有效的非均匀磁场范围内可以实现良好稳定的磁驱动运动(图3a-3c)，以及弹性大变形（图3d-3e），可实现在复杂地形中的稳定导航（图3h）并轻松通过直径为 1.5 mm的狭窄通道（图3i-3j）；

图3. 液态磁驱动微型机器人的磁驱动运动和变形

固态磁驱动微型机器人具有刚性和稳定的形状，可在磁驱动下实现可控运动和针对物体的操纵（图4a）。进一步地，研究人员通过两两相态之间的可逆转换，展示了磁驱动微型机器人的多功能操作。例如：通过液态和粘流态之间的转换，磁驱动微型机器人可先后在液态下完成原地分裂、管道导航、穿越栅栏、翻越障碍和合并融合，以及在粘流态下完成爬坡和3D电路修复等综合任务。通过液态和固态之间的自由转换，磁驱动微型机器人具有了动态刚度变化和形状可重构，实现了多物体操作、管道阻塞和在复杂环境中的连续运动和主动导航（图4）。最后，通过液态、粘流态和固态之间的三相态可逆转换，实现了在人体胃模型内的控制运动、药物运输和创口覆盖等功能行为。固态磁驱动微型机器人可在胃模型内受磁驱动运动；基于三相态的自由切换能力，磁驱动微型机器人可完成对药物胶囊的变形包覆、粘附固定、主动运输和智能释放等多种任务；基于相态切换和形状可重构，磁驱动微型机器人可实现主动的大拉伸变形，在控制变形形状和面积后完成对创口的固定覆盖。

图4. 三相态转换的磁驱动微型机器人的多功能应用

总结：提出了一种可实现三相态可逆转换的磁性液滴微型机器人。其在三种相态：液态、粘流态和固态下具有不同的磁驱动和变形特性。通过相态之间的自由转换，实现了不同相态磁性软体机器人的优势互补，具有了在复杂环境中稳定导航、形态适应、形状重构、可控刚度和导电等多功能，有望在柔性电子和生物医学领域得到应用。

论文第一作者为西安交通大学航天学院研究生魏黄三，通讯作者为西安交通大学唐敬达副教授。

上述研究得到了国家自然科学基金面上项目、王宽诚教育基金会等资助。

论文链接：https://achs-prod.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c13627

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（责任编辑：xu）

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