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哈工大(深圳)王威教授团队揭示微纳机器人集群波动机制
Date: 2022-08-27

  【哈工大(深圳)宣】(材料科学与工程学院/文、图)近日,哈工大(深圳)材料科学与工程学院王威教授课题组发现了一种基于化学反应扩散的非线性微纳机器人集群运动新机制,成果以“Unraveling the physiochemical nature of colloidal motion waves among silver colloids”为题发表于Science子刊Science Advances。该研究成果是微纳米机器人研究的重要进展,为微纳机器人的集群控制提供了新的策略。

  微纳机器人是一种新型智能仿生器件,在生物诊疗、环境监测、微纳制造等领域有极大应用前景,受到了国内外学术界的高度关注。微纳机器人应用的一个核心的科学问题,是如何实现亿万个体之间的集群控制,然而在小尺度下对巨大数量的个体采用传统的集群控制方法具有很大挑战,因此近年来人们尝试从蚂蚁、蜜蜂,乃至细菌、细胞等生物体中寻找灵感,试图开发仿生的集群控制新策略。

  2012年,美国宾州州立大学化学系Ayusman Sen教授课题组首次发现,在特定的化学溶液中,表面覆盖了银的微纳米粒子能够在紫外光照射下自发的振荡运动,并通过彼此同步涌现出如同球场人浪一样的集群波动。这种波动的表现十分特殊,类似于心肌细胞或者细菌集群所呈现出的时空波动,能够快速、无衰减地将信号传递至远处,为微纳米机器人的仿生集群控制提供了极佳的契机。然而学术界多年来并不清楚这种微纳米粒子集群波动背后的物理化学机制,因而极大地限制了这种集群控制方法的应用。

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图1 微纳机器人的集群波动。利用粒子追踪方法将局部粒子运动速度标记为了不同颜色(红色和蓝色分别代表高速和低速)。

  围绕这一关键科学问题,该研究团队取得了三项重要成果。首先是通过使用对氢离子浓度(即pH)敏感的荧光染料成功观测到微纳粒子波动过程中的化学波。第二是基于一种经典的非线性振荡模型成功模拟计算了化学波的时空分布,并与实验测量结果高度一致。此外,基于胶体电动力学理论,结合显微测量,团队提出了微纳米粒子在化学波中涌动的两种机制。以上结果从实验、模拟、理论三方面解答了化学波产生的本质,以及化学波如何引发微纳米粒子周期、往复的运动,从根本上阐明了微纳米粒子集群波动的物理化学机制。

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图2 微纳机器人集群波动的测量、模拟

  据了解,该成果对于其他研究领域也有一定的指导意义。本文展示了银这种常见的金属在特定化学条件下能够自发振荡,为非均相、非线性催化提供了新的思路。自发振荡的微纳米粒子能够作为模型体系,用于研究复杂系统、活性物质等前沿科学问题。此外,本文描述的集群波动现象为微纳机器人的集群控制提供了新思路,从而实现在复杂的生物环境中高效、长距离地传递信息。

  王威教授课题组长期以来聚焦微纳米机器人的表界面问题,通过材料的可控构筑、胶体表界面理论、数值模拟、电化学测量等基本研究方法,在微纳米机器人个体运动机制、限域环境动力学、集群动力学等方面取得一系列重要成果。围绕本文所关注的自发振荡微纳机器人,近五年来阐明了其振荡机制(ACS Nano, 2019, 13(4), 4064-4072),开发了调节振荡的方法(ACS App. Mater. Int., 2020, 12, 10, 11843-11851),揭示了振荡机器人间化学同步的规律(ACS Nano, 2020, 14, 5, 5360–5370),并发现了机器人的“弹道波动”现象(Chem. Comm., 2021, 57, 8492-8495),本文是这一系列研究的最新成果。

  本文共同第一作者为哈工大(深圳)博士研究生陈曦、上海交大博士研究生徐彦楷,通讯作者为哈工大(深圳)王威教授、上海交通大学张何朋教授,合作者为广东凯佳光科娄凯博士,哈工大(深圳)为第一通讯单位。本文获得了国家自然科学基金和深圳市基础研究项目支持。(编辑 谢梁晖 审核 张惠屏)

  论文链接:https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.abn9130

  王威教授个人主页:http://faculty.hitsz.edu.cn/wangwei3



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