伴隨空間生命科學研究的不斷深入，以生物活細胞等微納顆粒為作動對象的精密微操控技術在面向未來的載人航天基礎研究以及空間環境下的生物醫學研究中發揮著日益重要的作用，是研制空間生命科學儀器裝置必須突破的關鍵核心技術之一。近年來，具有主動操控功能的智能化微納米機器人平臺已成為精密微操控技術的熱門研究領域之一，在精準捕獲生物顆粒以及高精度運輸和富集方面展示了良好的性能，為實現傳感器由傳統的被動擴散式到主動富集式檢測方式的革新提供了全新的手段。因此，深入開展面向空間生命科學微系統的微納米機器人推進機理和集群化操控方法，具有重要的基礎研究價值和廣闊的工程應用前景。
在國家自然科學基金的支持下，南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室蘆小龍副教授（第一作者，通訊作者）與南京工業大學劉文娟副教授合作，利用超聲微驅動手段在微納米機器人集群操控技術方面取得了新的進展，近期以“基于聲電復合電極的微納米機器人集群通用控制策略”為題的一篇研究成果被選作封面文章（inside front cover）發表于國際著名學術期刊《Small》。
基于聲電復合電極的微納米機器人集群通用控制方法
本研究通過引入一種針式聲電復合電極，實現了管狀和球狀微納米機器人的通用化集群控制以及運動模式的可控切換。通過電解水生成氣泡技術，在電極尖端形成微米級氣泡振動核，受超聲場激勵發生共振，進而形成局部增強型聲流場，驅動鄰近的微納米機器人快速分散至其他區域。去除氣泡后，該聲電復合電極又可作為聲學隔振器，提供固定邊界用于阻擋聲能在流體中的傳播，進而在電極周圍形成能量勢阱，驅動大范圍內分散的微納米機器人富集至電極下方。理論計算和試驗結果均表明，聲電復合電極的這兩種功能模式在不同超聲頻率激勵下不存在耦合干擾。典型結構的微納米機器人可以實現474μm/s的快速分散和17.8μm/s的定點富集。所述聲電復合電極集氣泡共振器和聲學隔振器功能于一身，實現了兩種集群化運動的自由切換。本研究目前的局限性在于無法有效驅動直徑大于30μm的大型微納機器人開展集群運動。此外，針對活性微生物（如細菌）的主動操控能力和干擾因素也有待進一步的研究。但是，該集群化操控平臺能夠實現與現有電化學檢測平臺的高度集成，為實現基于微納米機器人的主動超靈敏檢測技術提供了可能。下一步研究將針對功能化微納米機器人及其電化學檢測應用展開，為空間環境下使用的健康監測微系統研究奠定基礎。
圖1 微納米機器人可控集群運動的技術原理。a) 聲操控平臺組成結構，主要包括玻璃基板，PMMA微流道，壓電超聲換能器和聲電復合電極；聲電復合電極使能的雙集群運動模式，包括分散b)和聚集c)；d) 操控試驗系統基本構成單元。
圖2 微氣泡振動核及其對微球型機器人的分散控制。a) 針式聲電復合電極的基本結構；b) 電解水化學反應原理；c)和e) 電極尖端氫氣泡生成的過程；d)和f) 電極尖端氫氣泡消融的過程；g) 氣泡振動核在針尖周圍的分布；h) 熒光微球型機器人模型在氣泡振動核周圍的運動軌跡；i) 普通微球型機器人模型在氣泡振動核周圍的分散運動模式。
圖3 聲電極對微球型機器人的富集控制。a) 微球型機器人模型在去除氣泡后的聲電極附近動態富集過程及速度分布；b) 單個微球機器人模型的瞬態位移和速度變化；c) 不同位置分布的機器人模型運動速度變化；d) 驅動電壓對動態收集過程的影響；e) 富集前后，聲電極底部覆蓋區域內外的機器人濃度變化情況；f) 溶液環境對收集速度的影響；g) 不同構型和體系的微機器人模型富集效果對比，包括5μm PS微球 (#1), 5μm PS/Pt 兩面神機器人 (#2), 7μm 酵母菌細胞 (#3), 10μm PS微球 (#4), 30μm鎂基微機器人 (#5) 和 200μm PS微球 (#6)。
圖4 微管型機器人模型的動態集群控制及其模式切換。a) PEDOT/MnO2管式微納機器人的掃描電鏡圖及其集群運動模式切換原理；b) 氣泡振動核對微管型機器人的分散效果；c) 去除氣泡的聲電極對微管型機器人的動態富集效果；d) 不同位置的機器人模型瞬態運動距離與時間的關系；e) 富集前后，聲電極底部覆蓋區域內外的機器人濃度變化情況。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104516
