通过正交推进控制和感官延迟在活性胶体系统中的密度调制

《ACS Nano》：Density Modulations in Active Colloidal Systems through Orthogonal Propulsion Control and Sensory Delays

自主调节电泳推进微 swimmer 的光-化学耦合响应机制与粒子分布优化

　　近年来，科学家们在活性胶体系统领域取得了显著进展，旨在模拟生物微游泳体的关键特性，特别是它们对环境变化的适应性运动能力。尽管许多研究方法依赖于外部施加的可变推进力，但实现真正自主且自我调节的适应性仍存在局限。本研究中，我们开发了一种基于电水动力学流动驱动的Janus微游泳体，这些微游泳体能够根据光照变化和化学物质暴露程度自主调整其推进动态。Janus颗粒由部分覆盖有二氧化钛的二氧化硅胶体组成，它们通过诱导电荷电泳（ICEP）实现自推进。由于二氧化钛具有光导性，其在紫外光照下会增加导电性，从而独立于并垂直于所施加的电场调节推进速度。值得注意的是，这种速度适应是自发发生的，但需要一定的时间。这种感知延迟导致微游泳体在响应时空光调制时，表现出比合成微游泳体通常假设的即时响应更强的定位能力。

在合成微尺度活性系统中，例如由自推进Janus颗粒组成的集合体，局部密度变化可用于模板材料、组装微尺度设备、调节流体流动以及执行复杂的操控任务。虽然物理相互作用可以导致结构形成和密度变化，例如运动诱导的相分离，但密度变化也可以由于空间运动调节而自发产生，即使在活性单元之间没有特定相互作用的情况下。因此，微游泳体的运动特性与其环境密切相关，成为研究的重要方向。

在本研究中，我们探讨了一种利用光调控微游泳体运动的新策略。通过使用均匀的交流电场驱动，结合二氧化钛帽层的导电性调节，我们实现了微游泳体的运动控制。这种策略的核心在于，微游泳体的推进速度不仅依赖于电场强度，还受到光照强度的影响。我们发现，微游泳体在光照强度变化时，其速度适应并非即时发生，而是存在一定的延迟。这种延迟现象在实验中得到了验证，例如在光照强度周期性变化的情况下，微游泳体的速度响应呈现不对称性：在光照关闭后，速度下降需要数秒时间，而在光照开启时，速度变化则几乎可以忽略不计。

这种感知延迟对微游泳体的局部和全局行为具有深远影响。我们通过实验和模拟相结合的方法，研究了这种延迟对微游泳体在特定光模式下分布的影响。实验中，我们使用数字微镜阵列（DMD）投影不同光强度的图案，从而创建出复杂的时空光场。模拟则基于微游泳体的运动方程，考虑了位置、时间、方向等因素对速度变化的影响。结果表明，微游泳体在特定的光模式下能够实现更高的定位效果，这与理论预测的局部密度与推进速度之间的关系相吻合。

进一步地，我们探讨了化学物质对微游泳体推进速度的影响。例如，在含有甲醇的环境中，微游泳体的响应时间会发生变化，这表明它们能够自发适应局部化学信号。我们发现，当甲醇浓度增加时，微游泳体的延迟时间也随之增加，这使得它们在光照关闭后能够更长时间保持较高的速度。这一现象为开发具有更强适应能力的合成微游泳体提供了新的思路，同时也揭示了微游泳体运动与环境因素之间的复杂关系。

在研究中，我们还发现，微游泳体的定位能力不仅依赖于光强度的变化，还与光模式的尺寸有关。例如，当光模式的尺寸较大时，微游泳体的延迟时间对定位效果的影响更为显著。通过系统地调整光模式的尺寸和延迟时间，我们能够实现微游泳体在特定区域的高效聚集，这种聚集效应在实验和模拟中均得到了验证。这一发现为设计具有更高分辨率和对比度的微游泳体模式提供了理论依据。

此外，我们还探讨了微游泳体在不同光模式下的行为特性。例如，在光照关闭后，微游泳体的速度下降速度较慢，而在光照开启时，速度迅速恢复。这种不对称的响应行为表明，微游泳体的运动控制具有一定的复杂性，其适应性不仅依赖于光照强度，还受到其他环境因素的影响。通过调整这些因素，我们能够实现对微游泳体运动的精细调控，从而在更广泛的环境中应用。

在实际应用中，这种微游泳体的适应性运动特性为开发新型的微尺度活性系统提供了重要启示。例如，通过调节材料的响应特性，可以实现对微游泳体运动的动态控制，使其在不同环境中表现出不同的行为模式。这种能力不仅有助于模拟生物微游泳体的适应性行为，还可能为未来的智能微系统设计提供新的思路。

总之，本研究通过开发一种具有光响应特性的Janus微游泳体，探索了微游泳体在复杂环境中的适应性运动特性。我们发现，微游泳体的推进速度不仅受到电场的影响，还能够通过光照强度的变化进行调节。这种调节方式为实现微游泳体的自主适应和动态控制提供了新的途径。同时，感知延迟对微游泳体的定位能力有显著影响，这表明在设计和应用微游泳体时，需要充分考虑其响应特性。通过进一步优化材料和环境条件，我们有望开发出更高效、更智能的微尺度活性系统，为未来的生物启发技术发展奠定基础。