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Nature:形状变形的纳米磁性编码微型机器人

教育装备采购网 2020-07-23 13:17 围观0次(ci)

  磁性软体机器人已有多种应用,特别是在与人体密切相关的生物医学领域。如自折叠式“折纸”机器人可以在肠道中爬行、修补伤口、将吞下的物体取出来;胶囊状的机器人可以沿着胃的内表面滚动,进行活组织检查并运送药物。此外,科学家们还研制出了尺寸从几百微米到几厘米不等的更薄的线型机器人,它们有可能在大脑血管中穿行,以治疗中风或动脉瘤。磁性软体机器人的进一步小型化可能带来新的应用,如在至小的血管中进行操作甚至操纵单个细胞,但制备这样的微型机器人并非易事[1]

  2019年11月,瑞士联邦理工学院的Cui Jizhai(现任职复旦大学) 、Huang Tian-Yun 及其同事在Nature发表了名为“Nanomagnetic encoding of shape-morphing micromachines”的文章[2],该工作使用电子束光刻技术,制造出了只有几微米大小的可磁重组机器人,通过对单个区域的纳米磁体进行设计,将形状变化指令通过编程的方式输入微型机器人,对纳米磁体施加特殊的磁场序列后,实现微型机器人的形状变化,如图一所示。

Nature:形状变形的纳米磁性编码微型机器人

  图(tu)一(yi) 四(si)片式变形微(wei)机械的(de)(de)(de)(de)设计 a.磁(ci)(ci)(ci)(ci)体磁(ci)(ci)(ci)(ci)态(tai)随尺寸增大的(de)(de)(de)(de)示(shi)意图(tu):i.超顺磁(ci)(ci)(ci)(ci)性;ii.室温(wen)下(xia)稳定的(de)(de)(de)(de)单畴;iii.多畴态(tai)。b. 顶(ding)部,四(si)个面(mian)(mian)板(ban)(ban)(ban)微(wei)机械,面(mian)(mian)板(ban)(ban)(ban)I上(shang)有520 nm×60 nm(I型)纳(na)(na)米(mi)(mi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)体阵列(lie),面(mian)(mian)板(ban)(ban)(ban)II上(shang)有398 nm×80 nm(II型)纳(na)(na)米(mi)(mi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)体阵列(lie);底部,纳(na)(na)米(mi)(mi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)体阵列(lie)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)应(ying)SEM图(tu)像。c. 体积相(xiang)同(tong)但长宽比不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)单畴纳(na)(na)米(mi)(mi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)体的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)光克(ke)尔(er)效应(ying)磁(ci)(ci)(ci)(ci)滞回线。d.根据矫顽力的(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)选择两(liang)个磁(ci)(ci)(ci)(ci)场对微(wei)机械进行编码(ma)的(de)(de)(de)(de)示(shi)意图(tu)。e. 应(ying)用控制(zhi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)场B=15 mT时(shi)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)性结(jie)构(I型和(he)II型纳(na)(na)米(mi)(mi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)体)和(he)微(wei)机械折(zhe)(zhe)叠(die)行为示(shi)意图(tu),光学显微(wei)镜图(tu)像显示(shi)了(le)所制(zhi)造器(qi)件的(de)(de)(de)(de)四(si)种(zhong)不(bu)同(tong)结(jie)构。从左到(dao)右,上(shang)/下(xia)折(zhe)(zhe)叠(die)的(de)(de)(de)(de)面(mian)(mian)板(ban)(ban)(ban)数为4/0、3/1、2/2(折(zhe)(zhe)叠(die)方向不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)对面(mian)(mian)面(mian)(mian)板(ban)(ban)(ban))和(he)2/2(折(zhe)(zhe)叠(die)方向相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)(de)对面(mian)(mian)面(mian)(mian)板(ban)(ban)(ban))。

  这项工作(zuo)构建了一个模块化(hua)单(dan)元(yuan)的集合(he),这些模块化(hua)单(dan)元(yuan)可(ke)以编程(cheng)为(wei)字母表中(zhong)的字母,此(ci)外还构建了一个微型的“鸟”,能够进行复(fu)杂的行为(wei),包括(kuo)“拍打”、“悬停”、“转弯”和(he)(he)“侧滑(hua)”,如图二所示。这为(wei)创造未来的智能微系统建立了一条(tiao)路(lu)线,这些智能微系统可(ke)以重新配(pei)置和(he)(he)原位重新编程(cheng),可(ke)以适(shi)应(ying)复(fu)杂的情况。

Nature:形状变形的纳米磁性编码微型机器人

图二 折纸式(shi)(shi)的微型“鸟”与多种形状变(bian)形模式(shi)(shi)

  文章中,作者使用了英国Durham Magneto Optics Ltd.公司的磁光克尔效应系统-NanoMOKE3对不同型的纳米磁体进行了磁滞回线测试,同时使用该设备的电磁铁产生的磁场对纳米磁体阵列进行了编程。NanoMOKE3可以进行微区的超高灵敏度测试,在本工作中,作者通过激光聚焦在不同的纳米磁体上获得对应的磁滞回线,如图一c所示,为微型机器人的磁学编码工作提供了帮助。

Nature:形状变形的纳米磁性编码微型机器人

图三 磁(ci)光克尔效应系统-NanoMOKE3

  NanoMOKE3主要技术特点:

  • 超(chao)高灵敏度~10-12emu

  • 微区磁滞回线,激光(guang)光(guang)斑~2μm

  • 超(chao)快测试速度,1秒内可获得磁滞回线

  • 克尔角检测<0.5 mdeg

  • 纵(zong)向/横向/极向克(ke)尔

  • 磁畴成像(xiang)

  • 扩(kuo)展无液氦(hai)低温MOKE

Nature:形状变形的纳米磁性编码微型机器人

图四 与(yu)Montana S50超(chao)精细多功能(neng)无液氦低温(wen)光学(xue)恒温(wen)器(qi)联用的低温(wen)MOKE

  • 温度范围(wei)4.2K~350K

  • 磁场纵向(xiang)>0.4T,极向(xiang)>0.3T

  参考文献:

  [1] X H,zhao. et al. Nature 575, 58-59 (2019)

  [2] Cui, J. et al. Nature 575, 164–168 (2019).

  相关产品:

  磁光克尔效应测量系统-NanoMOKE3超精细多功能无液氦低温光学恒温器

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