首页科技快讯神奇，“水滴+铁珠”秒变机器人，移动速度可达2米/秒，还有清洁功能

神奇，“水滴+铁珠”秒变机器人，移动速度可达2米/秒，还有清洁功能

来源：晰数塔互联网快讯时间：2021年06月04日 19:22

编者按：本文来自微信公众号“学术头条”（ID:SciTouTiao），作者：库珀，36氪经授权发布。

把一吨水从一个地方输送到另一个地方，我们可以想出很多种方法，但如果我们需要精准移动几滴指定的小水珠呢？

这涉及到一门技艺叫做微流控输运，顾名思义，即一种微尺度下的流体输运方法。对流动液滴精准操控，在化学合成分析、药物筛选、细胞培养等领域用途广泛，对许多学科实验来讲不可或缺。

迄今为止，液相操作主要依靠具有特定形态或化学成分的固体表面来打破固、液、气三相接触线的不对称性，这种方法通常效率低，可控性有限，随着技术升级，近年来基于外界刺激（如光场、电场、热场）的智能液体操纵策略得到了广泛应用，但操作方法却不够简便。

还有没有更好的解决方案？很多科学团队都在不断探索。

图｜移动水滴

（来源：Cell Reports Physical Science）

如今，来自香港城市大学和中国科学院的科研人员联合设计了一种新装置，他们使用一个具有极亲水表面的小铁珠，发明出了仿生磁驱动液体操作微机器人 Hydrobot，它可以在任意路径上驱动液滴移动，速度最高可达 2 米/秒（2000 体长/秒），随着小铁珠表面积的增加，Hydrobot 可以操纵更多的水。

这一策略还打破了空间限制，允许液滴沿三维 360° 圆移动，实现在任何坡度爬坡或下坡，未来其应用场景包括清洁难以到达的微环境或用来运送微物质。

图｜Hydrobot 跟随外部磁铁控制，携带液滴移动或停止

（来源：Cell Reports Physical Science）

相关研究论文以“Bioinspired magnetically driven liquid manipulation as microrobot”为题，在线发表已经于 6 月 3 日发表在《细胞报告-物理科学》（Cell Reports Physical Science）杂志上。

（来源：Cell Reports Physical Science）

论文的第一作者、香港城市大学生物医学工程系的博士后研究员 Yifan Si 表示：“Hydrobot 的设计灵感来自在荷叶上蹦蹦跳跳的小鱼，鱼鳞具有高度的亲水性，能紧紧地粘附水滴，特别是在疏水表面。受这种自然现象启发，我们开发了 Hydrobot，其所涉及的材料很容易获取，能为软机器人的设计提供全新的思路。”

解决 3 个问题

业界对于移动小液滴这件事，一直面临着速度、体积和空间三方面的挑战。

首先，很难用较高的速度（每秒几米）精确操纵液体运动，更具挑战性的是，随机停止或移动液滴；同时，也难以在三维空间中实现液体操纵；此外，大多数的液体操纵研究都是基于空气中的超疏水表面，如何在其他基质或环境中扩展和实现液体操纵一直是业界关注的问题。

那么，如何攻克这些挑战？正如论文作者所说，灵感来自超亲水性鱼类能够将水从超疏水性荷叶中带走的自然现象。

通过利用内部超亲水铁珠（SIB）与液体之间的粘附力，在外加磁场的引导下，液滴在超疏水表面上移动速度可达 2 米/秒（接近每秒 2000 体长），并且可以根据需要随时停止。Hydrobot 可以像毫米级的软机器人一样在狭窄的空间内游走，完成清洁、物体输送和货物释放等复杂指令任务。

图｜超疏水基底上的磁驱动液体操纵

（来源：Cell Reports Physical Science）

就像荷叶上的水滴一样，水滴能以近乎完美的球形出现在超高速疏水材料表面上，当 SIB 被放置在水滴中，会立即被水包围，形成一个新的整体，在可移动外磁体的驱动下，系统集成电路可以随磁体位置在二维 X-Y 平面上实现任意移动路线。

SIB 和水之间的高粘附力，可以提供足够的性能来保持水滴高速运动，研究人员在 4 个数量级的速度范围内测试了水滴特定的可操纵。理论上，这样的磁驱动操纵策略的速度可以慢到 0 毫米 / 秒，中速可实现 6.3mm/s 的液滴操纵，在更快的情况下，研究人员在 0.01 秒内完成 2 厘米的移动，平均速度为 2000 毫米 / 秒。在论文中，研究人员表示，这还并不是能达到的最高速度。

图｜磁驱动机器人 Hydrobot 示意图

（来源：Cell Reports Physical Science）

此外，研究人员还介绍了一个平台，可以编程实现液滴在复杂狭窄空间中的快速准确移动，研究人员用水滴模拟了《吃豆人》游戏，实现了多个液滴的连续聚合，在磁铁的驱动下，液滴可以进行多次转向、移动或停止动作，6 个彩色微滴在 16 秒内聚集成一个大的微滴，并能保持良好的可控性和运动性。

图｜《吃豆人》游戏

应用场景有哪些？

速度的绝对控制和空间限制的突破，使得磁驱动液体操纵策略在毫米级软机器人科学与工程领域具有良好的应用潜力。对于 Hydrobot 而言，水滴和内部 SIB 配合被视为一个整体。

Hydrobot 可以作为一个清洁机器人来吸附超疏水表面狭窄角落的灰尘。在概念实验中，研究人员用硫酸铜（CuSO4）模拟灰尘，将其放置在由积木构成的封闭狭窄的超疏水表面上。

之后，可以用磁铁操纵水滴机器人穿过一个由积木组成的隧道，然后找到有尘埃的地方。当 Hydrobot 接触到 CuSO4 晶体时，它会迅速溶解，透明的 Hydrobot 逐渐变成蓝色，超疏水基底则变得干净，不同区域的晶体可以一次溶解掉，最终，水滴机器人可以离开工作区，回到起点，整个清洗过程不会对超疏水表面造成任何损坏。