可控微尺度驱动是微纳机器人与活性物质设计的核心目标。在粘性流体环境中，流体动力润滑会显著降低滚轮驱动时的旋转-平移转换效率，导致驱动力大幅衰减，但滚轮在高速转动下仍可产生可观的平移速度。而粘弹性流体广泛存在于生物体系（如血液、粘液、细胞质）与工业场景中，其独特的流变性质——兼具粘性耗散与弹性储能——为微尺度驱动提供了新的机遇与挑战。聚合物分子在剪切流中会发生拉伸，从而产生沿流线方向的弹性张力，然而，这种弹性张力对滚轮运动的影响，以及能否由此建立全新的驱动机制，此前尚缺乏系统性研究。

  近期，上海交通大学物理与天文学院交叉科学研究所曹鑫教授团队联合上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院李高进教授团队和浦江国际学院屈子杰教授团队发现了一种基于粘弹性流体的全新的滚轮运动机制，粘弹性流体中的旋转滚轮会自发产生与预期方向相反的平移运动。

  2026年2月14日，该工作以“Observation of a backward sliding motion for rollers on surfaces in viscoelastic fluid”为题发表在《Nature Communications》上。文章第一作者是上海交通大学物理与天文学院的博士生何成雨和浦江国际学院的博士生乔亚腾。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

  研究团队使用不同直径的超顺磁胶体球作为微滚轮，通过三对相互垂直的线圈产生旋转磁场驱动球体旋转（图1a）。当在水中旋转沿y轴旋转时，球体（D = 4.5 μm）如预期向前（x正向）移动（图1b上）。然而在PAAM溶液（浓度c = 0.1 g/L）中，胶体却向后滑动（图1b下）。这样的倒滑现象对于不同尺寸和形状的滚轮在不同类型的粘弹性流体（如胶束溶液、蛋清等）中均观察到（见论文的补充视频），表明这是粘弹性流体中滚轮的普遍特征。对于D = 4.5 μm的胶体球在PAAM溶液中滚动，测量显示滑动速度v与旋转速度ωr呈线性（正比）关系（图1c）。比例系数k在临界值c ≈ 0.025 g/L处降至零（图1d），在更小的c 值保持负值（即倒滑）。

图1 微型滚轮倒滑运动的实验观察

  为理解这一倒滑现象的机制，研究团队使用Giesekus模型模拟滚轮周围的流场。如图2a所示，当球体沿y轴旋转时，流体通过球体顶部从负x方向流向正x方向，同时观察到流线向y轴两个方向螺旋前进，从而分走了一部分从x负方向流向x正方向的流量。由于流场能导致聚合物的拉伸，后方较大的流量会产生更大的粘弹性张力，从而对整个球体产生净向后的弹性力T_‖。当聚合物浓度增大到超过临界值时，T_‖超过向前摩擦力f，即发生向后滑动。这一理论描述能很好地符合不同大小的微米滚轮（图2b）在不同浓度的PAAM溶液中的滚动行为的实验数据。

图2 滚轮倒滑行为的机理

  对于毫米级滚轮，由于其与接触面的摩擦力较大，仅在足够高的聚合物浓度和较大的滚动角速度下才能观察到倒滑（图3ab）。通过将k作为韦森伯格数Wi = ωτ的函数绘制时（其中τ为粘弹性流体的弛豫时间，由浓度c决定)，可以得到决定是否产生倒滑行为的临界韦森伯格数Wi_c（图3c），对应于微米滚轮中的临界聚合物浓度。

图3 毫米级滚轮的倒滑行为

  除了产生倒滑，包覆在滚轮上方的流场（图2a所示）还导致滚轮与接触面之间产生相互吸引。因而当磁性胶体颗粒在另一个较大的非磁性颗粒物附近沿着z轴旋转时（如图4a所示），磁球会被较大的球吸引而形成不对称哑铃。磁球通过接触摩擦将旋转运动传递给非磁球，使其沿相反方向做圆周运动。通过调节旋转速度可控制圆周半径，实现可编程的位置操控和搬运。

图4 利用倒滑行为进行货物的定向搬运

  原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69523-9