香港中文大学张立教授团队《AM》：利用磁流体液滴构建可合并的微型机器人群体系统

为了克服微型机器人个体能力不足的问题，科研人员已经开发了多种微型机器人群体系统。然而，之前报道的微型机器人群体的基本组成部分主要是固态的，以至于群体内部个体的形态边界明确，个体与个体之间不能真正融合。基于液体单元的微型机器人群体仍有待探索；这种按需可合并的群体系统将有利于适应不断变化的外界环境。近期，香港中文大学张立教授团队提出了一种构建可合并的微型机器人群体系统的策略，该系统利用铁磁流体液滴的分裂和聚合的特性来触发水平多模态和垂直抗重力集体的形成（请见图1），并展示了该系统的多个功能。相关成果以题为“Horizontal and vertical coalescent microrobotic collectives using ferrofluid droplets”发表在期刊《Advanced Materials》。香港中文大学张立教授为本论文的通讯作者。论文第一作者为香港中文大学博士后孙猛猛。

图1 铁磁流体液滴重新配置成多模态液滴群体示意图

在定制的时变磁场下，磁流体液滴会分裂然后组装成多种形态的液滴群体，包括水平面内的群体图案（分别表现出漩涡状、链状和晶体状，请见图2）和竖直面内层层堆叠的群体图案（请见图3）。通过实验和模拟，我们展示了不同形态群体形态的形成和相互之间的转变，并展示了它们强大的环境适应性。随后我们展示了多模态可合并的液滴群体系统的潜在应用场景，包括探索未知环境、目标物体输送和芯片实验室中的流体的过滤（请见图4）。这项工作有助于启发新型微型机器人群体系统的设计，并扩展了微型机器人的材料范围。

图2 在定制磁场下（a），研究了水平面内的磁流体液滴聚集形成漩涡状、链状和晶体状群体的磁场条件（b）和过程（c）。比例尺：5 mm。

图3 在定制磁场下（a），研究了竖直面内的磁流体液滴聚集形成层层堆叠状群体的磁场条件（b）和过程（c）。通过调控磁场参数，展示了操控竖直面内群体整体沿着竖直方向生长（d），在水平面内旋转（e）和抵抗重力倾斜的运动行为（f）。比例尺：5 mm。

图4 液滴群体系统可以适应复杂多变的环境（a）并实现流道中流体过滤的功能（b）。比例尺：5 mm。

【团队简介】

香港中文大学张立教授团队长期聚焦人体医疗健康的需求，围绕磁驱动微型机器人技术，以微型机器人开发与医疗应用为核心开展研究。该工作是张立教授团队近期关于磁驱动微型机器人群体相关研究的最新进展之一。近年来，张立教授课题组报道了一系列磁驱动微型机器人研究成果，实现了毫米尺度软体机器人磁编程控制和微米尺度机器人群体调控。代表性成果有：Sci. Adv., 2023, 9: ade8622; Nat. Commun., 2022, 13: 7919; Nat. Commun., 2022, 13: 7514; Sci. Adv., 2022, 8(40): eabq8573; Sci. Adv., 2022, 8(25): eabn8932; Nat. Mach. Intell., 2022, 4(5): 480-493; Adv. Mater., 2022, 34(17): 2109126; Sci. Robot., 2021, 6(52): eabd2813.; Sci. Adv., 2021, 7(9): eabe5914; Adv. Mater., 2021, 33(4); Adv. Mater., 2021, 33(37); Nat. Commun., 2019, 10(1); Nat. Commun., 2018, 9(1).

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300521

来源：BioMed科技

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