一種能夠自發同步的仿生微納機器人
2020-07-07 X一MOL資訊本文來自微信公眾號：X-MOLNews
同步是自然界生物體中廣泛存在的一種現象。通過各個部件或個體的彼此同步，生物體或其群體可以實現許多複雜且至關重要的功能，如億萬心肌細胞的同步跳動共同完成心臟的搏動；螢火蟲群體的同步閃爍幫助其識別異性同類等。受自然界中同步現象的啟發，哈爾濱工業大學（深圳）的王威（點擊查看介紹）課題組及其合作者研究了微納機器人之間的同步現象，為微納機器人之間的協同工作和對其集群控制提供了一種新的仿生思路。
自上世紀中葉開始，人們就對微納米機器人產生了濃厚的興趣。在人們的想像中，這種微小的機器能夠獨立自主的運動，又能夠和外界交流，還能自己思考做決定，因此充滿了無盡的應用可能。近二十年來，學術界對一類簡單的微納米機器人進行了大量的研究。這種被稱為「微納米馬達「的微機器具有自主運動和刺激響應等特性，因此在生物醫藥、分析傳感、汙染降解等領域展現出了巨大的應用前景。
面對複雜環境，大量微納米馬達的協同工作往往具有更大的優勢。例如，一大群微馬達可以在血液內分批次的到達腫瘤，然後互相協作，釋放出多種藥物，從而高效、低副作用的殺死腫瘤細胞。而要想實現這樣的群體協作，就需要對大量的微馬達進行高效的集群控制。目前人們主要通過複雜外界物理場驅動微馬達完成群體工作，而研究表明化學驅動的微馬達可以通過一種或幾種化學物質的傳遞完成馬達之間的自主交流，有望實現更加自主的相互協作。
在本工作中，王威課題組使用了一種光化學驅動的振蕩微馬達體系。這種馬達一半是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）高分子微球，另一半覆蓋銀，在特定的化學條件下，會產生周期性的「一走一停」的振蕩運動（圖1）。在前期工作中（ACS Nano, 2019, 13, 4064-4072），王威課題組還對這種振蕩行為產生的原因進行了機理探討。而在這一工作中，作者們系統的研究了這種振蕩的微馬達單個馬達之間、馬達團簇以及團簇之間三個層面的同步現象。
圖1. 單個振蕩馬達的「一走一停」的運動行為
作者發現當單個振蕩微馬達彼此距離較遠的時候，每個個體擁有自己的振蕩節律，互不幹擾。當施加一個外部的聚攏作用力時（例如超聲波），微馬達可以慢慢的彼此靠近，並且靠近到一定距離後，微馬達開始同時振蕩，但此時每個馬達依然保持自身原有的運動方向（圖2）。而當振蕩微馬達進一步靠近形成團簇時，馬達不僅同時振蕩，而且其運動方向不再受個體取向所支配，團簇展現出了心臟跳動似的周期性的膨脹和收縮。此外，振蕩的團簇同樣可以視為一個基本的振蕩單元，在彼此靠近時，振蕩頻率不同的兩個團簇也會發生同步現象，即兩個團簇以相同的節奏膨脹收縮，且同步後的頻率介於兩個團簇同步前的各自的頻率之間（圖3）。
圖2. 多個振蕩馬達彼此靠近過程中的同步行為
圖3. 兩個振蕩團簇彼此靠近過程中的同步行為
最後，作者指出，相鄰振蕩馬達周圍的離子場往往會相互影響和疊加，這會促使馬達協調彼此的運動步調，而馬達靠得越緊，同步和集體行為就越強。後續對微納米馬達之間同步行為的進一步研究有望幫助人們實現馬達之間自主的協同工作。
本文工作發表在ACS Nano 上，文章的第一作者是哈爾濱工業大學（深圳）材料學院博士研究生周超，通訊作者為王威教授。本文的共同作者還包括日本明治大學的信彥末松教授。
除了以上提及的工作以外，近期王威課題組還發表了兩篇關于振蕩微納米馬達的研究。在一項工作中，研究了周期性振蕩馬達個體和群體對周期性閃爍的光會做出何種響應（陳曦，ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 11843-11851）。另一項介紹了振蕩的馬達可以「教會」非振蕩的馬達展現出振蕩行為這一有趣的現象（周超、王啟璋，Chem. Comm., 2020, 48, 6499-6502）。這些工作體現了振蕩體系能夠湧現出豐富有趣的仿生現象，也展現了與外界與眾不同的交互行為。
Coordinating an Ensemble of Chemical Micromotors via Spontaneous Synchronization
Chao Zhou, Nobuhiko Jessis Suematsu, Yixin Peng, Qizhang Wang, Xi Chen, Yongxiang Gao, Wei Wang*
ACS Nano, 2020, 14, 5360–5370, DOI: 10.1021/acsnano.9b08421
研究團隊簡介
周超同學2013本科畢業於哈爾濱工業大學（威海）電子封裝專業，2014加入王威教授課題組，目前為哈爾濱工業大學（深圳）材料學院博士研究生，主要從事振蕩活性膠體顆粒，多物理場數值模擬等研究工作。
王威教授2008年本科畢業於哈爾濱工業大學應用化學專業，2013年獲得美國賓州州立大學化學博士學位。2014年至今就職於哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院，現任教授，博士生導師。2016.2-2017.2期間王威在韓國基礎科學研究院軟物質與活性物質中心Granick課題組進行訪問研究作。王威2014年入選深圳市地方級領軍人才，2017年起擔任中國微納米技術學會微納執行器與微系統分會理事，2018年入選哈工大青年拔尖教授。王威課題組研究領域為微納米智能仿生材料與軟物質，研究內容包括微納米低維材料的製備、微納米活性膠體、動態自組裝、數值模擬等。在Acc. Chem. Res.、Science Advances、ACS Nano、JACS、Advanced Materials、PNAS、Angewandte Chemie等國內外高水平期刊上共發表學術論文五十餘篇，引用2500餘次，H因子23，研究成果受到國內外同行的廣泛關注和高度評價，並被國內外媒體如CNN、BBC等報導。
課題組網站
https://www.x-mol.com/university/faculty/65918
http://weiwang-hitsz.weebly.com/
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