无需固定装置的磁性微型游泳器：用于定向粒子传输与流体操控

《Advanced Materials Technologies》：Untethered Magnetic Microswimmers for Targeted Particle Transport and Flow Manipulation

靶向颗粒运输与流体混合及路由的磁微机器人动态控制研究。通过设计四组同构H型磁微机器人，利用外部电磁场独立调控其旋转和位移，实现了流体在微通道中的定向流动和混合。实验表明，0.4mm颗粒在三种流动路径下的位移误差均小于1mm，混合效率达80.2%。磁驱动系统突破了传统微流控机械结构的局限性，展示了协同运动调控流场的新机制。

　　微流体技术是近年来在生物医学和微流控芯片领域发展迅速的一个方向。传统的微流体系统通常依赖于固定结构的微阀门和微泵来实现流体的控制和重新配置，但这些方法存在结构刚性以及适应性不足的问题。因此，研究人员开始探索基于磁性材料的无缆微机器人技术，以实现更灵活和动态的流体操控。本文提出了一种利用磁性微游泳机器人来动态调整流体流动的新方法，为微流体系统的可重构性提供了新的思路。

无缆微游泳机器人因其可以在微流体环境中自主运动而受到广泛关注。这些机器人通常由磁性材料构成，通过外部磁场进行驱动，从而在微尺度上实现精确控制。相比于传统的固定式微流体装置，微游泳机器人具有更高的灵活性和可编程性，可以在不改变设备结构的前提下，实时调整流体路径和方向。这种能力对于需要复杂流体操控的任务尤为重要，例如微粒的定向运输、流体混合与路由等。为了实现这一目标，研究人员设计了一种基于模块化组装的磁性微游泳机器人，并通过外部电磁场进行精确控制，使其能够独立执行不同的运动模式，包括平移和旋转。

在本文中，研究人员通过实验验证了该方法的有效性。首先，他们利用四只H形磁性微游泳机器人，对不同尺寸的微粒（0.2 mm和0.4 mm）进行定向运输实验。实验结果显示，这些机器人能够在3秒内将微粒引导至指定的下游分支。这表明，通过控制微游泳机器人的运动轨迹，可以实现对微粒的高效、精确操控。同时，微游泳机器人在混合实验中也表现出良好的性能，通过局部剪切力的产生，实现了高达80.2%的染料混合效率，并成功将混合后的流体引导至目标出口。这一实验进一步证明了微游泳机器人在动态流体操控方面的潜力。

微游泳机器人的运动机制是实现其功能的关键。通过外部磁场，这些机器人可以产生不同的运动模式，包括顺时针（CW）旋转、逆时针（CCW）旋转和平移。在实验中，研究人员利用自研的电磁线圈阵列，实现了对微游泳机器人运动的精确控制。通过逐步激活不同的线圈组合，他们能够产生特定的磁场，从而引导微游泳机器人进行所需动作。实验还发现，微游泳机器人在特定频率下能够保持同步旋转，而在超过这一频率后则会出现滑动或非同步运动，这表明系统存在一定的动态限制。此外，通过微粒子图像测速（μPIV）实验，研究人员评估了微游泳机器人对流体剪切力的影响，从而优化了其在不同微流体环境中的表现。

除了单个微游泳机器人的运动，多个微游泳机器人的协同工作也展现了更复杂的流体操控能力。例如，在实验中，研究人员通过调整多个微游泳机器人的位置和旋转方向，实现了流体的定向切换和路径重定向。这种协同控制策略不仅提高了流体操控的精度，还展示了微游泳机器人在复杂微流体环境中的适应性。通过将多个微游泳机器人部署在特定位置，可以实现对流体的定向引导和混合，从而满足不同应用场景的需求。

本文还探讨了微游泳机器人在不同微粒尺寸和流体条件下的表现。结果显示，0.4 mm的微粒在所有路径中都能实现较高的运输效率，而0.2 mm的微粒在某些路径（如弯曲向下）中则表现出较低的准确性。这表明，微粒的尺寸对微游泳机器人的操控效果有显著影响，因此在实际应用中需要根据具体需求进行优化。此外，通过调整微游泳机器人的布局和运动模式，研究人员能够实现对流体混合和路由的精确控制，这为微流控芯片的多功能性提供了支持。

为了进一步验证微游泳机器人在微流体操控中的优势，研究人员还设计了专门的微流体通道，并通过时间延时成像技术观察了流体混合和路由的过程。结果显示，当使用四个微游泳机器人进行混合和路由时，混合效率较高，且流体能够被有效地引导至目标出口。相比之下，仅使用两个微游泳机器人时，混合效率显著降低，且无法实现有效的路由。这说明，多个微游泳机器人的协同工作对于实现可编程的流体操控至关重要。

本文的研究成果表明，基于磁性微游泳机器人的无缆微流体系统具有广阔的应用前景。相比于传统的微流体装置，这种系统不仅具备更高的灵活性和适应性，还能在不依赖复杂机械结构的情况下，实现对流体的动态控制。这一技术可以应用于生物医学领域，如靶向药物输送、微创手术和细胞操控等。此外，它也为实验室自动化和微流控芯片的发展提供了新的思路。

在实验设计方面，研究人员采用了模块化制造方法，使得微游泳机器人的批量生产成为可能。同时，通过精确控制外部磁场，他们能够实现对微游泳机器人运动的实时调整，从而满足不同的任务需求。这种可编程的控制方式不仅提高了系统的性能，还增强了其在复杂微流体环境中的适应能力。通过优化微游泳机器人的设计和布局，研究人员能够进一步提升其在流体操控中的效率和精度。

本文还强调了微流体操控的挑战，尤其是在需要快速和灵活调整流体路径的情况下。传统的微流体装置由于结构固定，难以满足动态调整的需求，而基于微游泳机器人的系统则提供了更灵活的解决方案。通过改变微游泳机器人的位置和运动模式，可以实现对流体的实时引导和混合，从而满足不同应用场景的要求。这种动态调整能力对于微流控芯片的多功能性和智能化发展具有重要意义。

总的来说，本文通过引入基于磁性材料的无缆微游泳机器人，为微流体系统的可重构性提供了新的思路。通过外部磁场的精确控制，研究人员实现了对流体路径的动态调整，展示了微游泳机器人在微流体操控中的巨大潜力。这一技术不仅提高了微流体系统的灵活性和适应性，还为未来智能微流控设备的发展奠定了基础。