Small:适合气液界面附近工作的多模态高操控性气泡微机器人

  • 研究背景

随着微尺度流动、功能材料等领域的发展,近年来仿生微泳动机器人取得了长足进步,为宏观世界与微观流体环境的交互提供了新颖的手段。理论上,微机器人需要在体相、固/液、气/液界面附近工作,其中,气/液自由面的易变形特征及界面张力的存在给微泳动机器人的设计带来了巨大挑战。此外,与仅考虑纯泳动性能的微马达不同,微机器人还需体现出其功能性,例如对微小物体的抓取、推拉、释放、组装等基本微操控。这些在宏观尺度上相对容易实现的功能在微尺度下变得异常困难,原因在于微尺度下可动部件的加工存在巨大难度,抓取与释放操作在低雷诺数下会具有可逆性。解决这些问题迫切需要引入新的微流动机制,一方面能够克服“软”界面的约束,保证微机器人的运动性能及良好操控性,另一方面,需实现无可动机械部件的抓手及尽量丰富的操控功能,从而给出近气液界面微机器人的完整解决方案。

  • 文章概述

基于微尺度气泡动力学理论,研究团队发展出了适合气/液界面附近工作的多模态气泡微机器人。该机器人沿用了经典的Janus微球这一简洁构型,但进行了三点改进,增加微球直径至20~50 μm范围、微球内部为中空结构、增加了可用于微球姿态调控的Ni磁层,即Pt-Ni-SiO2型Janus中空微球。将其置于H2O2稀溶液后,中空结构会使其处在近气/液界面处,并在Pt侧生成几十微米大小的单气泡,气/液界面良好的传质条件使其周期性地生长(~10 ms)与溃灭(~10 μs)。在自由泳动状态下,微机器人维持在气/液界面下数十微米左右,保持一种下潜、上浮的动态平衡。特别值得注意的是,在操控颗粒时,气泡兼具了驱动力与“虚拟抓手”的功能,周期性的动力学行为会在被操控颗粒与微机器人之间建立起动态关联。机器人的控制是基于手柄实时控制的三维Helmholtz线圈磁控系统,与高速CCD、倒置显微镜进行集成后,可通过手柄对内嵌有Ni层的微机器人进行X-Y-Z三个维度的实时操控(图1a-b)。这里,X、Y维度用于为机器人水平运动的控制及路径规划,调控Z方向则会改变Janus球的仰角,进而间接改变微气泡与气/液自由面的相对位置,微调气泡的传质条件与生长/溃灭的动力学过程,实现对气泡微机器人的速度控制,即一种类似于汽车“换挡”的速度控制方式(图1c-d)。通过实验及数值模拟研究,揭示了一系列对目标颗粒物的操控模式,包括对邻近颗粒的推进(Pusher, 图2)、锚定(Anchor)、抓取(Gripper, 图3)等功能。在Janus微球处在大仰角情况下,微气泡溃灭甚至会打破上层气/液界面,在气/液界面生成毛细波,在向外传播过程中实现对远场颗粒的大范围清扫(Sweeper)。通过上述多种工作模式的组合可以实现更为复杂的功能,已初步实现了对微尺度俄罗斯方块异形颗粒的拼装(图4)。

【图1】磁场引导的气泡微机器人的运动. (a)三维磁控显微实验平台; (b)利用手柄实时调控气泡微机器人运动轨迹.(c-d)通过调控竖直方向磁场调控气泡微机器人的运动速度,实现类似汽车“换挡”式的远程速度调制。

【图2】气泡微机器人(JM)在“Pusher”模式下的实验演示及数值模拟(a)目标颗粒和微机器人组合体在10个周期内的位移。插图:0.37 s内组合体的实验轨迹(左上), JM和颗粒在单个周期内的位移(右下); (b-c) JM在单个周期内推动的颗粒运动的实验图像和示意图,红色虚线标记JM和颗粒的初始位置。该周期对应于(a)右下角插图所示的周期; (d)气泡溃灭过程中JM在“Pusher”工作模式下的数值模拟。

【图3】气泡微机器人在“Gripper”模式下进行目标颗粒的输运. (a)抓取并释放单个目标颗粒;(b)能够牢固抓取目标颗粒并在旋转磁场(0.1 Hz)下稳定旋转;(c)逐一抓取两个目标颗粒;(d)抓取一簇目标颗粒。为了便于区分微机器人和目标颗粒,我们用伪彩色(红色和蓝色)标记颗粒,红色箭头表示气泡微机器人的运动方向;(e)“Gripper”工作示意图; (f)比较了在“Gripper”和“Pusher”两种模式下气泡微机器人输运一个比自身大500倍的 “Z” 形状俄罗斯方块,通过不同工作模式的组合,气泡微机器人还可以完成微尺度俄罗斯方块的拼图(右下插图)。

【图4】气液界面附近多模态气泡微机器人,可实现近场作用下微米级目标物的推进、锚定、抓取、释放以及远场的非接触式清扫,还可以在磁场操控下实现近场与远场模式的自由切换。

这一研究中涉及到了微尺度下特殊的气泡动力学机制。微空泡可以可控地生长于Janus微球的一侧半球,为研究空泡与邻近微球的强烈流固耦合作用提供了可能,实验表明单气泡溃灭的能量足以显著驱动同尺度若干微球的运动。气泡溃灭阶段具有~10 μs的特征时间及~1 m/s的特征速度,在微尺度流动下创造出了可观的雷诺数(~10)。气泡生长与溃灭的特征时间相差三个数量级,从而有效克服了Stokes流动的可逆性。用于颗粒清扫的界面毛细波在微尺度下达到4~5 m/s的速度。特别是,为了对微气泡溃灭瞬态的三维流场进行研究,团队还建立了基于磁性纳米颗粒链的流场显示技术,为微气泡动力学及其空化射流机理提供了强有力手段。后期团队将重点关注气泡溃灭产生的压力波问题,尝试利用将其用于生物细胞的操控。

中科院力学所博士后王雷磊以及西安建筑科技大学陈力副教授为论文的共同第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究计划、中科院B类战略先导科技专项、陕西省科技统筹项目,陕西省自然科学基础研究计划等项目的资助。

论文信息:

Multimodal Bubble Microrobot Near an Air–Water Interface

Leilei Wang, Li Chen, Xu Zheng*, Zexiong Yu, Wenchao Lv, Minjia Sheng, Lina Wang, Pengcheng Nie, Hangyu Li, Dongshi Guan, Haihang Cui*

Small

DOI: 10.1002/smll.202203872

https://doi.org/10.1002/smll.202203872