【儀表網 研發快訊】微納馬達是基于活性顆粒發展起來的新興技術，有力推動了生物醫學診療/給藥、微納機器人等領域的發展，對Feynman的論述“There is plenty of room at the bottom”給予了新的詮釋。微納馬達從溶液環境或是磁、光、聲、熱、電等外場獲取能力實現自發運動，解決了微納機器人的運動問題；而提升微納馬達功能、實現可靠便捷的操控，是對接應用需求、向微納機器人發展過程中必須解決的問題。近來，力學所非線性力學國家重點實驗室微納米流體力學團隊發展了具有特色的磁導航氣泡微機器人，并基于此實現了對胚胎等生物微顆粒亞納克(10-10 g)精度的質量/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，集成了手柄操控功能，不僅實現對磁導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、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，本技術有效利用了氣泡生長/融合過程引起的流體力學作用，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。微氣泡融合過程產生瞬時射流速度可達到1 m/s量級(Re~10)，成為對目標顆粒實現微推進或施加瞬時慣性沖擊的Bubble Microthruster (BMT)。通過實驗確定了目標顆粒慣性響應的三階段特性(圖1)以及適合產生針對目標顆粒射流推進的工作區間。目標顆粒對慣性射流沖擊的響應，尤其是對第二階段瞬時射流沖擊(圖1藍線)以及第三階段速度衰減(圖1綠線)的實驗結果擬合可以確定顆粒的弛豫時間τp = 2Rp2ρp/9μ，并由此測量顆粒質量或密度。采用不同密度、質量的微顆粒進行了實驗方法的驗證(圖2)，測量精度可達約0.1 ng。通常10 μm尺度的細胞，質量約1 ng量級，因此本技術具備了檢測細胞質量/密度的能力，填補了對胚胎/細胞的質量/密度實時、便捷測量的技術空白。相比納米諧振、拉曼散射顯微等復雜方法，本技術具有快捷、易操控、成本低等優勢。針對基于密度變化監控胚胎發育過程的需求，該技術被用于測量E3.75 - E4.0時期小鼠胚胎的密度(圖3)。
 

　　力學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；力學所關東石研究員、西安建筑科技大學崔海航教授、北京航空航天大學杜婧教授為共同通訊作者。本研究得到了國家重點研發項目(2022YFF0503504)、中國科學院戰略先導B (XDB0620102)以及國家自然科學基金面上、青年項目(12072350、12372267、12302357、12222201、82273500)的支持。
 

　　圖1. 本研究基于Bubble Microthruster對目標顆粒施加瞬時慣性沖擊，發展了亞納克精度胚胎質量/密度實時、便捷測量的新技術。氣泡微推進的三階段特性(左圖)，可利用目標顆粒對氣泡產生的慣性射流沖擊的響應，尤其是對第二階段瞬時射流沖擊(藍色)以及第三階段速度衰減(綠色)的實驗結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量或密度。結果作為封面文章發表于Advanced Science (右圖)
 

　　圖2.采用不同密度、質量的微顆粒進行了實驗方法的驗證，發現測量精度可達約0.1ng
 

圖3. 采用BMT對小鼠胚胎的密度進行測量