在自然界中，许多生物都表现出群体行为，以执行复杂任务。受自然启发，通过设计外部驱动场，微纳尺度机器人也可以模仿自然界的群体行为，在生物体内实现复杂的功能。磁场可作为群体控制的良好触发条件，然而，磁场群体控制却受到应用和技术的限制。在应用层面上，由于生物体液的粘性和流动性，磁性纳米颗粒的群体分布的稳定性容易受到冲击；在技术层面上，限域空间的群体行为少有人关注，比如，相界面的力给群体控制带来了挑战。

近日，清华大学卢元团队在ACS Nano上发表了具有磁响应性和温度响应性的、可时空控制的磁性水凝胶微纳机器人研究。基于三种不同类型的外部场：重力场、梯度磁场和匀强磁场，通过调整场力，颗粒间相互作用力以及油/水界面作用力的强弱关系，构筑了不同组装行为的磁性纳米颗粒集群驱动的微型机器人，进而探究了不同的结构参数对运动行为、产热行为和负载-释放行为的影响。

图1.不同组装行为的微纳机器人构筑

图2. 旋转磁场下，微纳机器人的运动行为差异

图3.磁场控制微纳机器人执行任务

在旋转磁场下，微纳机器人可以通过与壁面之间的摩擦力产生运动。通过设计驱动磁场，实现微纳尺度下机器人靶向递送货物的任务执行。此外，不同组装方式的微纳机器人由于结构不同，运动行为产生差异，表现为运动速度对磁场频率的依赖性。利用这一点，在水溶液中，通过频率的变化，实现了几种微纳机器人的可控分离。这些不同组装的微纳机器人可以灵活地作为基本控制单元来执行复杂的任务。未来，通过可编程磁场的控制，甚至可以在体内实现自动化和智能化的微型工厂。

研究团队通过将磁群体控制引入到水凝胶微球的限域空间，构筑了不同磁性纳米颗粒有序组装的微型机器人。探索了微纳机器人在运动行为、产热行为以及药物释放行为的差异性。进一步，对微纳机器人的潜在应用进行了探索。依靠不同微球对磁场频率的依赖性，实现了微球的分离和回收。通过负载药物分子，微纳机器人有望结合化学疗法和磁热疗法，实现更高效的肿瘤等重大疾病治疗。总之，本研究建立的微纳机器人构筑方法具有一定的普适性，丰富了限域空间内的集群控制策略，所构建的不同装配微纳机器人在合成智造、疾病治疗等领域具有重大的应用潜力。

相关论文发表在ACS Nano上，清华大学博士研究生王彬和刘东为文章的第一作者， 卢元博士为通讯作者。该研究受到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华大学国强研究院、化工系-iBHE专项合作联合基金等的支持。

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ACS Nano 2022, ASAP

Publication Date:December 5, 2022

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08626 

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