以4倍速度显示，一朵花形微型机器人接近塑料珠，利用毛细作用力将其粘在其花瓣上，然后通过旋转到适当的位置释放它们。图片：宾夕法尼亚大学
在微观尺度上，拾取、放置、收集和整理物体是一个持续的挑战。纳米技术的进步意味着，我们希望以这些尺寸构建更复杂的东西，但是缺少用于移动其组成部分的工具。
工程与应用科学学院的最新研究表明，由磁场远程驱动的简单的微型机器人如何利用毛细作用力来操纵漂浮在油水界面的物体。该系统在《应用物理快报》上发表的一项研究中得到了证明。
这项研究由宾夕法尼亚大学化学与生物分子工程学系的Richer & Elizabeth Goodwin教授凯瑟琳·斯特贝（Kathleen Stebe）以及她实验室的研究生姚Tianyi领导。斯特贝实验室的博士后研究员尼古拉斯·奇斯霍尔姆（Nicholas Chisholm）和GRASP实验室的研究科学家爱德华·斯泰格（Edward Steager）对该研究做出了贡献。
宾夕法尼亚大学研究小组的微型机器人是一块磁铁薄片，直径约三分之一毫米。尽管没有自己的活动部件或传感器，研究人员仍将它们称为机器人，因为它们具有拾取和放置比其还小的物体的能力。
实验平台和设计方案
这种能力是这些微型机器人在其工作的特殊环境中的功能 - 在两种液体之间的界面处。在这项研究中，界面位于水和十六烷（一种常见的油）之间。一旦到达那里，机器人就会使该界面的形状变形，从而基本上被毛细管相互作用的不可见“力场”围绕在自身周围。
从树的根部吸取水分到其叶子的毛细作用力在这里也被用来吸取塑料微粒，使其与机器人或已经粘在其边缘的其他微粒接触。
圆形微型机器人在“对接站”上放置塑料珠。图片：宾夕法尼亚大学
“我们以前曾利用这些毛细作用力来组装东西，但是现在，机器人和粒子更轻了，直径也减小了几个数量级。”斯特贝说。“当降低到微米级时，这意味着由另一种物理学来控制畸变。收集和组织几十微米大小的物体是一个很大的成就，不像我们手工操作那样。”
这项研究表明，物理学决定了这些微型机器人与它们所要操纵的塑料颗粒之间的相互作用。
斯特贝说：“过去，我们拿走了静态物体并对其周围进行了变形，然后展示了粒子如何被吸引到这些变形的'高曲率'区域。现在，我们有了一个磁铁来代替静态物体，作为移动失真源。”
奇斯霍尔姆说：“这使事情变得更加复杂。随着机器人向粒子移动，它会产生一个将粒子推开的流场，因此现在流体动力排斥力和毛细吸引力相互影响。粒子遵循最小能量，这可能意味着向上移动。
如果使用方形机器人，研究人员发现，一旦粒子超过变形峰，就会被强烈吸引到角落。这是一个潜在有用的属性，因为机器人可以从各种角度和方向接近目标，但最终仍可以将粒子放置在可预测的位置。
“我们已经证明，当您更改机器人形状时，会更改交互的类型和强度。” 斯特贝说：“锋利的拐角像死神一样紧紧抓住了粒子，但是当我们柔化拐角时，我们可以旋转机器人以释放它们。”
粒子被强烈吸引到方形机器人的角落。绿色轮廓显示了机器人接近时粒子所走的轨迹。图片：宾夕法尼亚大学
除了柔软的正方形外，研究人员还试验了一个圆形机器人以及一个花瓣形机器人。所有这些产品的另一个优点是能够通过在原地旋转来精确地释放货物，而花瓣形机器人的“花瓣”则提供了对货物颗粒位置的最精确控制。
最后，团队展示了一个扩展坞。扩展坞由一块静态的波浪状塑料组成，位于接口的上方和下方。这种布置在材料穿过界面的位置时产生了一组非常可预测的变形。
斯泰格说：“我们可以移动这些机器人并收集东西，通过一次捡起一个零件并将它们停靠在我们想要的位置来构建非常复杂的材料。”
由于机器人和粒子之间的交互作用与它们制成的材料无关，因此可能有广泛的应用。
姚说：“我们在这项研究中处理的粒子大约是人类细胞的平均大小或更小，因此，这种系统可能会在具有磁性微型机器人的单细胞生物学领域中得到应用。在实验的不同阶段移动单个细胞。”
他说：“这些微粒也可能是传感器系统的一部分。如果您在界面上安装了机器人和传感器粒子，则可以收集这些粒子，并以非常精细的空间控制将整个组件运送到目标区域。在这种情况下，需要非常低的传感器粒子浓度，并且测试后可以很容易地将它们收回。”
未来的工作将涉及开发更大的微型机器人形状和行为库，以处理其环境中的对象，以及更强大的传感和控制系统，以使机器人具有更大的自治权。
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