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
当前位置: