具有自(zi)適(shi)應(ying)移動(dong)性(xing)的(de)可變(bian)形磁流體(ti)微型機器(qi)人(ren)

磁活性(xing)流(liu)體(ti)或(huo)鐵流(liu)體(ti)在外(wai)部磁場作(zuo)用下可以改(gai)變(bian)其形狀和粘度。它(ta)可以在(zai)較高(gao)濃(nong)度的(de)磁性(xing)粒(li)子(zi)中(zhong)獲得高(gao)的(de)磁驅動(dong)力。由於(yu)其*的(de)性(xing)能(neng)，鐵流(liu)體(ti)在眾(zhong)多領域有較為廣泛的(de)應用。當(dang)鐵流(liu)體(ti)的(de)載(zai)體(ti)液(ye)體和環境(jing)液(ye)體不(bu)相(xiang)容(rong)時(shi)，前(qian)者(zhe)因其高(gao)度的(de)自(zi)聚(ju)性(xing)並不(bu)會在(zai)小體(ti)積(ji)中(zhong)迅速分散。這(zhe)壹(yi)特(te)性(xing)可以有效(xiao)地(di)防止(zhi)磁性(xing)納(na)米粒(li)子(zi)擴散(san)過(guo)快(kuai)。同時(shi)，基於(yu)其流體特(te)性(xing)，鐵流(liu)體(ti)具有較高(gao)的(de)可變(bian)形性(xing)，並能通過(guo)狹(xia)窄(zhai)的(de)通道和障礙物(wu)。此(ci)外(wai)，鐵流(liu)體(ti)在磁場中(zhong)也(ye)具有高(gao)輸出(chu)力(li)。然(ran)而(er)控制鐵流(liu)體(ti)機器(qi)人(ren)在三(san)維空(kong)間的(de)運動(dong)，並使用機器(qi)人(ren)進行藥物(wu)輸(shu)送仍(reng)有待研(yan)究(jiu)。

近(jin)日，北京(jing)航空(kong)航天(tian)大(da)學(xue)機械(xie)工(gong)程學(xue)院仿(fang)生與(yu)微(wei)納研(yan)究(jiu)所(suo)馮林(lin)副(fu)教(jiao)授(shou)等(deng)研(yan)發了(le)壹(yi)種(zhong)四(si)線圈(quan)梯度磁場控制系統(tong)，該(gai)系統(tong)可以實(shi)現(xian)磁流體(ti)微型機器(qi)人(ren)在三(san)維空(kong)間中(zhong)的(de)運動(dong)控制。同(tong)時(shi)，使(shi)用面(mian)投影(ying)微立體光(guang)刻(ke)3D打(da)印(yin)技(ji)術(shu)（nanoArch S140，摩(mo)方精密），研(yan)究(jiu)團(tuan)隊依據在藥物(wu)遞(di)送的(de)實際(ji)應用環境(jing)中(zhong)可能出(chu)現(xian)的(de)復雜(za)環境(jing)進行設(she)計(ji)並打(da)印(yin)相關(guan)模(mo)型，並對磁流體(ti)微型機器(qi)人(ren)在藥物(wu)遞(di)送相(xiang)關(guan)領域的(de)性(xing)質(zhi)和優(you)勢(shi)展開了(le)進壹步(bu)的(de)研(yan)究(jiu)。相(xiang)關(guan)成(cheng)果以“Deformable Ferrofluid Microrobot with Omnidirectional Self-adaptive Mobility"為(wei)題發表(biao)在(zai)《Journal of Applied Physics》期(qi)刊(kan)上(shang)。

圖壹 由電(dian)磁線圈(quan)系統(tong)控制在(zai)血管模(mo)型中(zhong)移動(dong)的(de)鐵流(liu)體(ti)機器(qi)人(ren)的(de)概念(nian)圖及(ji)系統(tong)圖(tu)。

經過數值(zhi)模(mo)擬(ni)和實際測量，該(gai)系統(tong)產(chan)生的(de)磁場梯度可以達(da)到(dao)4.14T/m，並可以實(shi)現(xian)對(dui)磁流體(ti)機器(qi)人(ren)的(de)三(san)維控制，最大(da)的(de)控制誤(wu)差不(bu)超(chao)過0.3mm。最後(hou)，線圈(quan)系統(tong)控制鐵流(liu)體(ti)液(ye)滴(di)在(zai)最大(da)內徑(jing)為(wei)3毫米的(de)三(san)維血管模(mo)型中(zhong)實現自(zi)主(zhu)運動(dong)。控制效(xiao)果的(de)實現(xian)使得鐵流(liu)體(ti)機器(qi)人(ren)在通過(guo)血(xue)管導航(hang)進行藥物(wu)輸(shu)送方面具有技(ji)術(shu)潛(qian)力(li)。

圖二 (a) 磁流體(ti)機器(qi)人(ren)運動(dong)的(de)示意(yi)圖。(b)不(bu)同(tong)時(shi)刻(ke)的(de)磁流體(ti)機器(qi)人(ren)的(de)位(wei)置和狀態(tai)。比(bi)例尺：5毫米。（復(fu)雜(za)環境(jing)尺寸(cun)特(te)征(zheng)：長38mm寬22mm高(gao)5mm，其中(zhong)折(zhe)線(xian)和曲(qu)線通道直徑為(wei)1.5mm，左下角圓柱(zhu)陣列援(yuan)助直徑0.5mm，間距(ju)0.5mm。）

通過(guo)對(dui)磁流體(ti)機器(qi)人(ren)的(de)變(bian)形能(neng)力(li)的(de)研(yan)究(jiu)，發現(xian)機器(qi)人(ren)可以通過(guo)比(bi)其(qi)直徑小(xiao)四(si)倍(bei)的(de)縫隙（圖二(er)）。同時(shi) ，基於(yu)有限(xian)元模(mo)擬(ni)，磁流體(ti)機器(qi)人(ren)的(de)變(bian)形可以使(shi)流(liu)場(chang)中(zhong)的(de)阻力(li)減少43.75%，這(zhe)使(shi)得磁流體(ti)機器(qi)人(ren)在人(ren)體(ti)血管高(gao)流速環境(jing)中(zhong)運動(dong)成(cheng)為可能。此(ci)外(wai)，利(li)用3D打(da)印(yin)的(de)血管模(mo)型，對(dui)磁控系統(tong)控制微(wei)型機器(qi)人(ren)在三(san)維血環境(jing)中(zhong)運動(dong)能力進行了(le)驗證（圖三(san)）。

圖三(san)  (a) 血管模(mo)型中(zhong)磁流體(ti)運動(dong)的(de)控制示(shi)意圖(tu)。(b)三(san)維血管模(mo)型中(zhong)不(bu)同(tong)時(shi)刻(ke)鐵流(liu)體(ti)機器(qi)人(ren)的(de)真實位(wei)置和狀態(tai)。比(bi)例尺：5毫米。

該(gai)項(xiang)研(yan)究(jiu)成(cheng)果獲得國家(jia)重點(dian)研(yan)發計(ji)劃(No. 2019YFB1309700)及(ji)北(bei)京(jing)新星(xing)科(ke)技(ji)計(ji)劃項(xiang)目(No. Z191100001119003)支(zhi)持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0076653