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力学家访谈录:崔海航副教授

来源: 作者: 时间:2022-05-14 

2022年5月13日10:30,由西安建筑科技大学力学技术研究院(IMT)开展的力学家访谈,在IMT成功进行。本期访谈的嘉宾是西安建筑科技大学崔海航副教授。

访谈掠影

力学家访谈源于对力学家的致敬,希望以访谈的形式请他们分享自己的学术成果、科研心得、新思想,以此激励学生的科学研究激情。采访内容如下:

问:您能简单介绍一下微泳动机器人的运动机制吗?基于气泡驱动的中空Janus型微机器人与传统的反冲力驱动的微泳动机器人,在驱动机制上有什么异同?

答:

微泳动机器人实际上是对微生物的仿生,而微生物游动所产生的的流场是低雷诺数的斯托克斯流动,斯托克斯流动具有时间的可逆性,也就是“扇贝定理”。气泡处于不断膨胀收缩的周期性边界条件下,在极低雷诺数时其净位移应该为零,时间的可逆性约束了其运动。要创造出一个可以动的机器人需要打破这个约束,其中一个方式是扩散泳动,颗粒两侧产生非对称力,另外一种就是打破时间的可逆性,在微尺度下可以创造高雷诺数流动打破时间的可逆性,在之前的研究中往往将微尺度流动与低雷诺数流动画等号,实际上在微尺度下,如果速度足够高,我们也可以获得可观的雷诺数,这就在微尺度下创造了一个极端的流动状态,简单来讲,在微尺度下,可以通过时间尺度在微秒级的气泡溃灭来产生非常高的速度,产生惯性力驱动物体运动。

对反冲力驱动来讲,在反冲过程中气泡始终是保持完整的,完整的气泡从颗粒表面脱落,利用动量守恒原理对颗粒施加驱动力。在这种情况下由于气泡本身的密度很小,从整体来看单个气泡具有的动量很小,反冲过程就需要产生大量的气泡。而中空Janus型微机器人不需要保持气泡的完整性,利用气泡溃灭产生的能量驱动颗粒运动,其能量来源并不是气泡本身具有的动量,而是气泡溃灭时气液界面消失释放的表面能,对于单个气泡来讲这种能量比脱落产生的能量要大的多。

问:中空Janus粒子是如何实现在气液界面的垂直动态悬停的,界面不同的物理特性是否会对这种动态悬停产生不同的影响?

答:

中空Janus粒子的密度相对较小,由于浮力作用粒子存在向气液界面运动的趋势,而实际过程中粒子是在气液界面之下运动,并在一定范围内周期性上浮下潜,在平衡位置上下波动,因此必然存在一个力使粒子处于动态悬停状态,这个力的来源是气泡溃灭所产生的射流,气泡周期性的生长溃灭而产生周期性的推动力,从而实现粒子的动态悬停。

界面特性必然会对粒子的运动产生影响,在气液界面上需要关注的是表面张力,表面张力的大小取决于表面张力系数和曲率半径,我们可以通过在溶液中添加表面活性剂,调整表面张力的大小,从而改变Janus粒子的运动速度。反过来说,Janus粒子的运动也可以作为一个工具探查界面特性,简单来说我们创造出了一种探针,可以探查我们微观上看不到的一种物性,例如界面厚度。

问:如何通过磁引导来控制微机器人的运动?如何确保机器人运动精度?除此外有没有其他的引导方式?

答:

宏观上的电场、声场等不同的物理场原则上都可以用来引导微机器人的运动,不同的场对应不同的微机器人类型,在粒子两侧镀上不同的吸热材料,在红外线照射下两侧形成温差控制粒子运动就是所谓的热泳机器人,另外可以通过某种方式使粒子两侧具有不同的压缩性,利用超声波控制粒子运动等。在医学领域,外场需要具备一定的穿透性,透过皮肤组织影响位于人体内部的粒子,在这方面相比于电场,声场、磁场以及红外线可行性更高。

在微尺度下对于精度控制影响最大的就是布朗运动,抑制布朗运动是得到定向运动的前提,可以通过改变粒径、温度等一定程度上降低布朗运动的影响,由于布朗运动的随机性,目前还无法实现类似于宏观的定向性的弹道运动,一般利用外加的物理场交互式实时控制粒子运动,通过不断修正粒子运动轨迹,得到定向运动。

问:目前国内外针对自驱动纳米马达研究集中于双氧水体系,双氧水体系不适用于人体内体液环境,微马达驱动在人体体内应用领域目前有哪些进一步的发展?

答:

铂催化双氧水产生氧气气泡,其能量来源在于溶液分解,对于这类应用,不难想到,水在人体中大量存在,可以在Janus颗粒单侧镀上金属镁等活泼金属,利用镁与水发生化学反应产生氢气气泡,另外还可以利用人体某些特定部位的特征,例如胃酸,通过加入一些能够与盐酸等反应的物质也可以达到类似的效果,此外,可以利用红外线照射人体,通过热泳的方式驱动,自然就不需要气泡。目前很多机器人、化学等领域学者研究微马达在人体环境下的应用,并且取得了非常优秀的成果。

采访人:邵文琦

撰稿人:邵文琦