【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】微納馬達(dá)是基于活性顆粒發(fā)展起來的新興技術(shù)，有力推動了生物醫(yī)學(xué)診療/給藥、微納機器人等領(lǐng)域的發(fā)展，對Feynman的論述“There is plenty of room at the bottom”給予了新的詮釋。微納馬達(dá)從溶液環(huán)境或是磁、光、聲、熱、電等外場獲取能力實現(xiàn)自發(fā)運動，解決了微納機器人的運動問題；而提升微納馬達(dá)功能、實現(xiàn)可靠便捷的操控，是對接應(yīng)用需求、向微納機器人發(fā)展過程中必須解決的問題。近來，力學(xué)所非線性力學(xué)國家重點實驗室微納米流體力學(xué)團隊發(fā)展了具有特色的磁導(dǎo)航氣泡微機器人，并基于此實現(xiàn)了對胚胎等生物微顆粒亞納克(10-10 g)精度的質(zhì)量/密度測量。該成果最近以“Sub-nanogram Resolution Measurement of Inertial Mass and Density Using Magnetic-field-guided Bubble Microthruster”為題發(fā)表于Advanced Science (2024, 2403867)，并被選為期刊封面文章(圖1)。
研究團隊搭建了亥姆霍茲線圈三維磁場操控系統(tǒng)，集成了手柄操控功能，不僅實現(xiàn)對磁導(dǎo)航氣泡微機器人的運動控制，還可對周圍微顆粒的抓取、推進(jìn)、駐留等多種操控功能。不同于以往研究僅將微氣泡視為能量來源，本技術(shù)有效利用了氣泡生長/融合過程引起的流體力學(xué)作用，尤其是氣泡引起的瞬時射流提供了微納尺度稀有的慣性效應(yīng)。微氣泡融合過程產(chǎn)生瞬時射流速度可達(dá)到1 m/s量級(Re~10)，成為對目標(biāo)顆粒實現(xiàn)微推進(jìn)或施加瞬時慣性沖擊的Bubble Microthruster (BMT)。通過實驗確定了目標(biāo)顆粒慣性響應(yīng)的三階段特性(圖1)以及適合產(chǎn)生針對目標(biāo)顆粒射流推進(jìn)的工作區(qū)間。目標(biāo)顆粒對慣性射流沖擊的響應(yīng)，尤其是對第二階段瞬時射流沖擊(圖1藍(lán)線)以及第三階段速度衰減(圖1綠線)的實驗結(jié)果擬合可以確定顆粒的弛豫時間τp = 2Rp2ρp/9μ，并由此測量顆粒質(zhì)量或密度。采用不同密度、質(zhì)量的微顆粒進(jìn)行了實驗方法的驗證(圖2)，測量精度可達(dá)約0.1 ng。通常10 μm尺度的細(xì)胞，質(zhì)量約1 ng量級，因此本技術(shù)具備了檢測細(xì)胞質(zhì)量/密度的能力，填補了對胚胎/細(xì)胞的質(zhì)量/密度實時、便捷測量的技術(shù)空白。相比納米諧振、拉曼散射顯微等復(fù)雜方法，本技術(shù)具有快捷、易操控、成本低等優(yōu)勢。針對基于密度變化監(jiān)控胚胎發(fā)育過程的需求，該技術(shù)被用于測量E3.75 - E4.0時期小鼠胚胎的密度(圖3)。
力學(xué)所特別研究助理王雷磊博士為論文第一作者，鄭旭副研究員為論文通訊作者；力學(xué)所關(guān)東石研究員、西安建筑科技大學(xué)崔海航教授、北京航空航天大學(xué)杜婧教授為共同通訊作者。本研究得到了國家重點研發(fā)項目(2022YFF0503504)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)B (XDB0620102)以及國家自然科學(xué)基金面上、青年項目(12072350、12372267、12302357、12222201、82273500)的支持。
圖1. 本研究基于Bubble Microthruster對目標(biāo)顆粒施加瞬時慣性沖擊，發(fā)展了亞納克精度胚胎質(zhì)量/密度實時、便捷測量的新技術(shù)。氣泡微推進(jìn)的三階段特性(左圖)，可利用目標(biāo)顆粒對氣泡產(chǎn)生的慣性射流沖擊的響應(yīng)，尤其是對第二階段瞬時射流沖擊(藍(lán)色)以及第三階段速度衰減(綠色)的實驗結(jié)果擬合可以確定顆粒的弛豫時間，并由此測量胚胎等顆粒的質(zhì)量或密度。結(jié)果作為封面文章發(fā)表于Advanced Science (右圖)
圖2.采用不同密度、質(zhì)量的微顆粒進(jìn)行了實驗方法的驗證，發(fā)現(xiàn)測量精度可達(dá)約0.1ng
圖3. 采用BMT對小鼠胚胎的密度進(jìn)行測量
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