具有磁光热协同效应的异质风车形微机器人的微纳结构设计，用于加速货物输送

《Journal of Colloid and Interface Science》：Micro-nanoarchitectonics of heterogeneous windmill-shaped microrobots with magneto-Photothermal synergy for accelerated cargo delivery

　　

雷旭|曾帆鹏|张子阳|于婷婷

摘要

能够实现可控推进和按需货物运输的微机器人对于微尺度工程应用至关重要。然而，在单一结构中同时实现有效的驱动机制、稳定的运动方式以及可控的货物释放仍然具有挑战性。本文报道了一种通过DLP 3D打印技术制造的刚柔混合微机器人：该机器人配备了嵌入了排列整齐的Fe₃O₄颗粒链的刚性叶片，以增强磁力矩从而实现运动；同时其核心采用掺杂了多巴胺（PDA）的软质水凝胶，能够响应近红外（NIR）光实现货物输送。这种设计将推进功能与货物释放功能在空间上分离，有效解决了传统整体式结构中常见的结构刚度与光热效率之间的权衡问题。运动学分析表明，四叶片配置是最优方案，它能够在保持较高速度的同时确保运动方向的一致性，从而克服结构不稳定性。粒子图像测速（PIV）和计算流体动力学研究表明，该机器人的旋转行为类似于离心泵，能够产生剪切应变场，进而破坏药物颗粒的聚集状态。此外，磁活性混合技术与NIR光热解吸技术的结合实现了协同释放机制，使得药物释放率达到约85%，且视野范围内的混合均匀性高达93%。这项工作为稳定运行的主动微装置建立了结构设计框架，并阐明了驱动协同货物运输的流体动力学机制。