Nature：形狀變形的納米磁性編碼微型機(jī)器人

時(shí)間：2021-7-23閱讀：1108

磁性軟體機(jī)器人已有多種應(yīng)用，別是在與人體密切相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)域。如自折疊式“折紙"機(jī)器人可以在腸道中爬行、修補(bǔ)傷口、將吞下的物體取出來(lái)；膠囊狀的機(jī)器人可以沿著胃的內(nèi)表面滾動(dòng)，進(jìn)行活組織檢查并運(yùn)送藥物。此外，科學(xué)家們還研制出了尺寸從幾百微米到幾厘米不等的更薄的線型機(jī)器人，它們有可能在大腦血管中穿行，以治療中風(fēng)或動(dòng)脈瘤。磁性軟體機(jī)器人的進(jìn)步小型化可能帶來(lái)新的應(yīng)用，如在小的血管中進(jìn)行操作甚至操縱單個(gè)細(xì)胞，但制備這樣的微型機(jī)器人并非易事^[1^]。

2019年11月，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Cui Jizhai（現(xiàn)任職復(fù)旦大學(xué)）、Huang Tian-Yun 及其同事在Nature發(fā)表了名為“Nanomagnetic encoding of shape-morphing micromachines"的文章^[2]，該工作使用電子束光刻技術(shù)，制造出了只有幾微米大小的可磁重組機(jī)器人，通過(guò)對(duì)單個(gè)區(qū)域的納米磁體進(jìn)行設(shè)計(jì)，將形狀變化指令通過(guò)編程的方式輸入微型機(jī)器人，對(duì)納米磁體施加殊的磁場(chǎng)序列后，實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的形狀變化，如圖所示。

圖四片式變形微機(jī)械的設(shè)計(jì) a.磁體磁態(tài)隨尺寸增大的示意圖：i.超順磁性；ii.室溫下穩(wěn)定的單疇；iii.多疇?wèi)B(tài)。b. 頂部，四個(gè)面板微機(jī)械，面板I上有520 nm×60 nm（I型）納米磁體陣列，面板II上有398 nm×80 nm（II型）納米磁體陣列；底部，納米磁體陣列的相應(yīng)SEM圖像。c. 體積相同但長(zhǎng)寬比不同的單疇納米磁體的磁光克爾效應(yīng)磁滯回線。d.根據(jù)矯頑力的不同選擇兩個(gè)磁場(chǎng)對(duì)微機(jī)械進(jìn)行編碼的示意圖。e. 應(yīng)用控制磁場(chǎng)B=15 mT時(shí)的磁性結(jié)構(gòu)（I型和II型納米磁體）和微機(jī)械折疊行為示意圖，光學(xué)顯微鏡圖像顯示了所制造器件的四種不同結(jié)構(gòu)。從左到右，上/下折疊的面板數(shù)為4/0、3/1、2/2（折疊方向不同的對(duì)面面板）和2/2（折疊方向相同的對(duì)面面板）。

這項(xiàng)工作構(gòu)建了個(gè)模塊化單元的集合，這些模塊化單元可以編程為字母表中的字母，此外還構(gòu)建了個(gè)微型的“鳥(niǎo)"，能夠進(jìn)行復(fù)雜的行為，包括“拍打"、“懸停"、“轉(zhuǎn)彎"和“側(cè)滑"，如圖二所示。這為創(chuàng)造未來(lái)的智能微系統(tǒng)建立了條路線，這些智能微系統(tǒng)可以重新配置和原位重新編程，可以適應(yīng)復(fù)雜的情況。

圖二折紙式的微型“鳥(niǎo)"與多種形狀變形模式

文章中，作者使用了英國(guó)Durham Magneto Optics Ltd.公司的磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)-NanoMOKE3對(duì)不同型的納米磁體進(jìn)行了磁滯回線測(cè)試，同時(shí)使用該設(shè)備的電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)納米磁體陣列進(jìn)行了編程。NanoMOKE3可以進(jìn)行微區(qū)的超高靈敏度測(cè)試，在本工作中，作者通過(guò)激光聚焦在不同的納米磁體上獲得對(duì)應(yīng)的磁滯回線，如圖c所示，為微型機(jī)器人的磁學(xué)編碼工作提供了幫助。