河北
有一天，微型游泳机器人可能会在人体内穿行以输送药物。药物可以只作用于需要治疗的部位——例如，针对肿瘤的化疗药物——避免影响健康组织，从而最大限度地减少副作用。由理海大学P.C. Rossin工程与应用科学学院机械工程与力学助理教授Ebru Demir领导的研究团队，与圣克拉拉大学的On Shun Pak和布朗大学的Roberto Zenit合作，正在研究微型机器人如何在体液中游动。他们最近在《应用物理快报》期刊上发表了一篇论文，详细介绍了新的基础性发现。
难点在于，机器人在体液中穿行并非易事。血液和黏液是非牛顿流体，这意味着它们的黏度会随剪切应力而变化——剪切应力是当流体各层之间相互滑动，或沿血管壁等固体表面滑动时产生的摩擦力。
在非牛顿流体中测试游动方式
“我们发现，流体的流变学特性，即流体的性质，影响了微型游泳机器人的运动，”该论文的第一作者、Demir研究组的二年级博士生Amin Balazadeh Koucheh说。“具体来说，我们发现当我们在非牛顿流体中增加驱动频率时，微型游泳机器人的运动方向发生了反转。这种现象已被我们研究组通过数值模拟验证过，但这是首次通过实验加以验证。”
该团队使用了两种微型游动装置，一种是球形，另一种是螺旋形（模仿某些细菌的开瓶器状结构）。他们在每个装置里都嵌入了一小块磁铁，并首先在牛顿流体中进行了测试。（像水或酒精这类牛顿流体，不管怎么摇晃或搅拌，粘度都不会变。）他们用的是毫米级的游动装置，但通过提高测试流体的粘度，让实验条件与微观游泳的物理环境相匹配。
研究人员用磁场驱动这些游动装置，让它们旋转着向前移动。随着旋转频率提高，游动装置也如预期那样，前进速度越来越快。
与此同时，游动装置在前进时会推挤靠近壁面的流体，这种推力也让它们同时向侧面移动，最终走出一条斜线轨迹。但当他们把游动装置放进一种合成非牛顿流体中——这种流体是用来模拟黏液或血液的——研究人员发现了一个意想不到的现象：在同样的磁场驱动下，游动装置侧移的方向竟然和它们在牛顿流体中相反。
“从某种意义上说，它们开始向后滑动，”研究共同第一作者、2026届硕士本·拉特诺说。“就好比换了流体，每个微型游泳者的终点线也跟着变了。”
对靶向药物递送系统的意义
这种意外运动之所以重要，是因为该团队的最终目标：成功操纵这些微型游泳者。为此，他们首先需要了解这些微泳体在不同环境中会有什么反应。
“两种微泳体都出现了这种向后滑动的现象，”巴拉扎德·库切说。“所以我们现在明白，仅凭流变学就足以影响这一现象，跟形状无关。这个发现很有意思，因为我们的目标是在剪切稀化流体中控制这些微泳体，比如黏液和血液。”
研究的下一步是探索流变学对微观尺度下设计的游泳器的影响——本研究中的游泳器为毫米级——以及探索不同形状游泳器的表现。
尽管靶向药物递送仍需多年时间，但像这样的发现代表着一步步的进步，将推动这一概念从理论走向实践。
“同一个游泳器，游过不同的介质时，表现完全不同，这是一个很有力的控制抓手，”德米尔说。“我们过去认为流体只是介质。现在我们开始把它看作机器的一部分。”
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