控制微觀過程本身就具有挑戰(zhàn)性。我們用來宏觀操縱物質(zhì)的工具不能簡單地縮小到細(xì)胞的大小。雖然它們可以按比例縮小，但當(dāng)它們瞄準(zhǔn)納米時(shí)，它們的物理力會(huì)產(chǎn)生不同的效果。雖然不是一件容易的事，但實(shí)現(xiàn)這種控制將帶來巨大的好處：無論是將藥物輸送到腫瘤以進(jìn)行精確治療，還是從稱為膠體的液體懸浮構(gòu)建塊中制造功能材料，賓夕法尼亞大學(xué)。大學(xué)工程師正在努力使這些過程更快、更安全、更可靠。
管理這些流程的一種方法是使用小型機(jī)器人。
我們經(jīng)常將機(jī)器人視為計(jì)算機(jī)化的機(jī)器，例如裝配線上或倉庫中的機(jī)器，可以對(duì)它們進(jìn)行編程以移動(dòng)物體并構(gòu)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如汽車和手機(jī)。然而，比微芯片還小的編程機(jī)器是另一個(gè)挑戰(zhàn)。這種尺寸的機(jī)器人太小而無法計(jì)算機(jī)化，其設(shè)計(jì)必須與更大的機(jī)器人完全不同，并且遵循完全不同的物理和化學(xué)定律。
由于微型機(jī)器人對(duì)于自己的機(jī)器來說太小了，它們依靠外部磁力移動(dòng)。為了處理一件微小的貨物，他們必須利用各種物理和化學(xué)定律來操縱微觀尺度。在這些維度上，每個(gè)物體都受到周圍分子的極大影響。被周圍大氣等氣體包圍或浸入液體中的微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)必須通過“物理智能”的概念來利用這種效應(yīng)。
通過了解系統(tǒng)、周圍的介質(zhì)和其中的粒子，小型、具有物理智能的機(jī)器人可以執(zhí)行各種任務(wù)。化學(xué)與生物分子工程與機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)教授，姚天一，原博士他實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生張啟興目前是一名醫(yī)生。盧布爾雅那大學(xué)教授團(tuán)隊(duì)的學(xué)生和合作者正在進(jìn)行基礎(chǔ)研究，為了解構(gòu)成每個(gè)液晶顯示器(LCD)的向列液晶(NLC)膠體流體中的這些小規(guī)模相互作用提供基礎(chǔ)屏幕上的像素。
“向列液晶作為一種特殊相存在，它是一種既不是液體也不是固體的結(jié)構(gòu)化液體，”Stebe說。“NLC由細(xì)長的分子組成，這些分子以需要最少能量的配置自行排列。想想搖晃一鍋米飯；所有紋理都排成一行。當(dāng)你通過引入小型機(jī)器人或膠體物體來破壞排列時(shí)，對(duì)于例如，有一些有趣的動(dòng)力學(xué)在水中是看不到的。NLC的物理學(xué)使我們能夠研究這些獨(dú)特的相互作用。”
在《高級(jí)功能材料》發(fā)表的一項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)描述了一種四臂磁控微型機(jī)器人，它可以游泳、運(yùn)輸貨物，并在這種復(fù)雜的流體中主動(dòng)結(jié)合粒子。“我們從創(chuàng)造復(fù)雜行為的復(fù)雜形狀開始，”Stebe說。“在這里，微型機(jī)器人由外部磁場(chǎng)引導(dǎo)，并利用它們的物理智能將顆粒作為貨物撿起，然后在它們游到有紋理的表面時(shí)與它們發(fā)生碰撞。表面上的凹槽的大小只能吸引和容納顆粒.事實(shí)上，正是這種曲面設(shè)計(jì)激發(fā)了四足微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感。我們利用膠體的物理形態(tài)、表面化學(xué)和NLC中的特定動(dòng)力學(xué)來控制它。
“然而，我們觀察這些復(fù)雜功能的次數(shù)越多，我們對(duì)它們的了解就越少，”他補(bǔ)充道。“我們需要回到基礎(chǔ)來真正解釋這里發(fā)生的事情。”這個(gè)機(jī)器人會(huì)游泳嗎？它如何保持和移動(dòng)粒子？在另一項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的研究中，該團(tuán)隊(duì)用一個(gè)更簡單的小型機(jī)器人回答了這些問題。
Stebe說“板狀讓我們更好地了解微型機(jī)器人的游泳能力，在這里你可以看到，當(dāng)板塊的一側(cè)向上傾斜時(shí)，其下方會(huì)產(chǎn)生拓?fù)淙毕荨Ｍ負(fù)淙毕菖c板塊本身的相互作用會(huì)產(chǎn)生能量梯度，使板塊自行移動(dòng)。”
機(jī)器人游泳功能的拓?fù)涫怯捎贜LC的復(fù)雜組織，這與水等無序液體有很大不同。
“利用向列液晶的物理特性，”這兩項(xiàng)研究的主要作者Yao說，“我們可以構(gòu)建一個(gè)具有物理智能的微型機(jī)器人系統(tǒng)。我們可以遠(yuǎn)程交互，調(diào)整結(jié)合強(qiáng)度，重新配置空間。。“.雖然我們已經(jīng)證明這些相互作用是在微觀尺度上發(fā)生的，但流行物理學(xué)也適用于非常小的尺度，大約30-50納米。”
在這個(gè)級(jí)別操縱過程的能力是開創(chuàng)性的，并且是理解機(jī)器人系統(tǒng)如何以間接方式執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵，這種間接方式涉及流體動(dòng)力學(xué)和作為微型機(jī)器人設(shè)計(jì)一部分的媒體之間的物理交互。
Stebe和他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以設(shè)想這項(xiàng)技術(shù)在光學(xué)設(shè)備行業(yè)以及許多其他領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。溫度和光可以作為設(shè)計(jì)智能材料和了解其環(huán)境的小型機(jī)器人任務(wù)的控制。“與我們敬業(yè)的同事和研究生一起，我們一直在努力研究這項(xiàng)技術(shù)，并很高興看到多年工作的成果，”他說。“我們現(xiàn)在正處于實(shí)際應(yīng)用的邊緣，準(zhǔn)備探索。”
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