以4倍速度顯示，一朵花形微型機器人接近塑料珠，利用毛細作用力將其粘在其花瓣上，然後通過旋轉到適當的位置釋放它們。圖片：賓夕法尼亞大學
在微觀尺度上，拾取、放置、收集和整理物體是一個持續的挑戰。納米技術的進步意味著，我們希望以這些尺寸構建更復雜的東西，但是缺少用於移動其組成部分的工具。
工程與應用科學學院的最新研究表明，由磁場遠程驅動的簡單的微型機器人如何利用毛細作用力來操縱漂浮在油水界面的物體。該系統在《應用物理快報》上發表的一項研究中得到了證明。
這項研究由賓夕法尼亞大學化學與生物分子工程學系的Richer & Elizabeth Goodwin教授凱瑟琳·斯特貝（Kathleen Stebe）以及她實驗室的研究生姚Tianyi領導。斯特貝實驗室的博士後研究員尼古拉斯·奇斯霍爾姆（Nicholas Chisholm）和GRASP實驗室的研究科學家愛德華·斯泰格（Edward Steager）對該研究做出了貢獻。
賓夕法尼亞大學研究小組的微型機器人是一塊磁鐵薄片，直徑約三分之一毫米。儘管沒有自己的活動部件或傳感器，研究人員仍將它們稱為機器人，因為它們具有拾取和放置比其還小的物體的能力。
實驗平臺和設計方案
這種能力是這些微型機器人在其工作的特殊環境中的功能 - 在兩種液體之間的界面處。在這項研究中，界面位於水和十六烷（一種常見的油）之間。一旦到達那裡，機器人就會使該界面的形狀變形，從而基本上被毛細管相互作用的不可見“力場”圍繞在自身周圍。
從樹的根部吸取水分到其葉子的毛細作用力在這裡也被用來吸取塑料微粒，使其與機器人或已經粘在其邊緣的其他微粒接觸。
圓形微型機器人在“對接站”上放置塑料珠。圖片：賓夕法尼亞大學
“我們以前曾利用這些毛細作用力來組裝東西，但是現在，機器人和粒子更輕了，直徑也減小了幾個數量級。”斯特貝說。“當降低到微米級時，這意味著由另一種物理學來控制畸變。收集和組織幾十微米大小的物體是一個很大的成就，不像我們手工操作那樣。”
這項研究表明，物理學決定了這些微型機器人與它們所要操縱的塑料顆粒之間的相互作用。
斯特貝說：“過去，我們拿走了靜態物體並對其周圍進行了變形，然後展示了粒子如何被吸引到這些變形的'高曲率'區域。現在，我們有了一個磁鐵來代替靜態物體，作為移動失真源。”
奇斯霍爾姆說：“這使事情變得更加複雜。隨著機器人向粒子移動，它會產生一個將粒子推開的流場，因此現在流體動力排斥力和毛細吸引力相互影響。粒子遵循最小能量，這可能意味著向上移動。
如果使用方形機器人，研究人員發現，一旦粒子超過變形峰，就會被強烈吸引到角落。這是一個潛在有用的屬性，因為機器人可以從各種角度和方向接近目標，但最終仍可以將粒子放置在可預測的位置。
“我們已經證明，當您更改機器人形狀時，會更改交互的類型和強度。” 斯特貝說：“鋒利的拐角像死神一樣緊緊抓住了粒子，但是當我們柔化拐角時，我們可以旋轉機器人以釋放它們。”
粒子被強烈吸引到方形機器人的角落。綠色輪廓顯示了機器人接近時粒子所走的軌跡。圖片：賓夕法尼亞大學
除了柔軟的正方形外，研究人員還試驗了一個圓形機器人以及一個花瓣形機器人。所有這些產品的另一個優點是能夠通過在原地旋轉來精確地釋放貨物，而花瓣形機器人的“花瓣”則提供了對貨物顆粒位置的最精確控制。
最後，團隊展示了一個擴展塢。擴展塢由一塊靜態的波浪狀塑料組成，位於接口的上方和下方。這種佈置在材料穿過界面的位置時產生了一組非常可預測的變形。
斯泰格說：“我們可以移動這些機器人並收集東西，通過一次撿起一個零件並將它們停靠在我們想要的位置來構建非常複雜的材料。”
由於機器人和粒子之間的交互作用與它們製成的材料無關，因此可能有廣泛的應用。
姚說：“我們在這項研究中處理的粒子大約是人類細胞的平均大小或更小，因此，這種系統可能會在具有磁性微型機器人的單細胞生物學領域中得到應用。在實驗的不同階段移動單個細胞。”
他說：“這些微粒也可能是傳感器系統的一部分。如果您在界面上安裝了機器人和傳感器粒子，則可以收集這些粒子，並以非常精細的空間控制將整個組件運送到目標區域。在這種情況下，需要非常低的傳感器粒子濃度，並且測試後可以很容易地將它們收回。”
未來的工作將涉及開發更大的微型機器人形狀和行為庫，以處理其環境中的對象，以及更強大的傳感和控制系統，以使機器人具有更大的自治權。
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