近几十年，微/纳米机器人的研究发展迅速，在各自的赛道竞相追逐，像极了正在参加奥运会的运动员。其中，有的是“跑步运动员”，挑战速度与激情；有的是“体操运动员”，挑战敏捷与灵活。它们主要通过化学能或热声光电等各种类型的能量驱动，转化为机械能来实现运动。
基于不同能量驱动的微/纳米机器人。图片来源： Adv. Sci . [1]
微/纳米机器人为未来医学领域的发展描绘出美好的愿景。人的身体70%由水构成，于是，能在液体中游动的“游泳运动员”成为了研究热门，研究的内容也是五花八门。不少研究者从自然界获得灵感，设计的微/纳米机器人具有类似细菌鞭毛的长长尾巴。比如2015年一篇 Nano Letters 报道了微/纳米机器人“尾巴”越长不一定游得就快，螺旋结构才是速度关键 [2]；再比如今年一篇 PNAS ，研究了两条“尾巴”比一条“尾巴”更好，可以减少因旋转消耗的能量 [3]。
螺旋“尾巴”和双“尾巴”。图片来源： Nano Lett. [2], PNAS [3]
近日，保加利亚 索菲亚大学的 Nikolai Denkov博士与来自波兰华沙大学、英国玛丽女王伦敦大学、剑桥大学的合作者们共同在 Nature Physics杂志上发表论文，报道了他们设计的会 “游泳”的自组装微液滴。同样从鞭毛运动中寻找灵感，这种微液滴不但可以自己长出弹性“尾巴”推动前进，还可以把“尾巴”收回来，其生长与收回只需要升降5 °C的温度控制即可实现。进一步研究发现，这种微液滴“游泳机器人”的驱动力来自温度变化诱导的表面相变。
液滴“尾巴”的可逆调控（降温生长、升温收回）。图片来源： Nat. Phys.
微液滴的制备非常简单。研究者将油性烷烃，正十五烷或正十四烷，滴在表面活性剂~1.5 wt%的水溶液中，控制温度分别为约8°C和约2°C。液滴初始为稳定的球状，随着温度降低（降温速率0.1~1 °C mi n–1 ），液滴形成四面体或五棱锥。与此同时，一个或两个尖角转化为“喷嘴”，快速挤出直径均匀的长丝，就是上图中我们看到的“尾巴”。
乳化液滴冷却时变形，长出“尾巴”。图片来源： Nat. Phys.
有趣的是，尾巴的数量与油性微液滴尺寸没有明显的关系，而与降温速率有关：当降温速率较慢时（~0.1 °C mi n–1 ），微液滴只产生一条尾巴；当降温速率较快时（~0.5 °C mi n–1 ），大部分微液滴产生两条尾巴；而当降温速率介于二者之间时，一条和两条尾巴的情况会同时存在。
降温速率会影响液滴“尾巴”的数量。图片来源： Nat. Phys.
油性微液滴是如何变成“游泳机器人”并长出尾巴的呢？早在2015年，Nikolai Denkov就作为一作在 Nature 杂志上发表论文，讨论过这个问题 [4]。形成油性微液滴的烷烃分子和表面活性剂的亲油端都有较长的碳链，表面活性剂分子排列在油性微液滴外层，降低其表面张力。当温度冷却至接近油性微液滴凝固点的时候，这些烷烃开始旋转移动，并趋向于规则排列，研究者称这种过渡状态为“旋转相”，烷烃分子具有一定规整度，但仍可以自由旋转。
表面活性剂诱导油性微液滴变形机制示意图。图片来源： Nature [4]
处于这种状态时，油性微液滴内部的分子排列还是相对混乱的，而油水边界附近的分子由于表面活性剂的诱导，已经具有一定规则，因此将优先排列整齐。随着温度降低，弹性张力导致微液滴被拉直，由圆形向多边形转变。
烷烃冷却结晶时的形状转变。图片来源： Nature [4]
相比于之前 Nature 的工作，这项工作中的微液滴“游泳机器人”的形成需要满足两个主要条件：表面活性剂具有更长的烷基链，以及较慢的降温速率促进纤细而有弹性的“尾巴”生长。微液滴表面在降温过程中发生了塑性相变，促使其尖锐的拐角处形成相缺陷，并在弹性张力作用下进一步变形，以产生弹性“尾巴”的方式释放出来，进而推动微液滴游动。
微液滴“游泳机器人”的主要运动参数。图片来源： Nat. Phys.
通过对微液滴运动参数进行量化，研究者发现，微液滴“游泳机器人”速度大约在0.1~0.7 μm s−1 之间，并且随着液体的冷却速率加快而提高，二者基本呈线性关系。在相同的降温速率下，单尾微液滴的游泳速度也高于双尾微液滴。这是由于相同的降温速率下，油滴表面的塑性相形成速率相同，挤出两条“尾巴”的速率一样，两条“尾巴”不可避免地有点相互干扰，因此单尾更有利于推动微液滴向单一方向运动。
微液滴“游泳机器人”游泳速度研究。图片来源： Nat. Phys.
通过建立弹性流体力学模型，研究者还准确预测了双尾微液滴的“游泳”方向，及其波动的角度范围。更有趣的是，凝固前微液滴的塑性相变是可逆的。正如开始的动图中看到的那样，温度升高后，微液滴会将生长出来的“尾巴”收回去。
微液滴游泳运动预测。图片来源： Nat. Phys.
这种微液滴“游泳机器人”的魅力在于，通过自发地自组装实现了简单的机械推进。除了实际应用之外，这些微液滴还可以为物理学家和生物学家提供一种工具，将复杂的系统简化为简单的运动现象，并从中获得灵感，比如单衣藻类生物体，如何利用两条鞭毛实现自由游动等。
微液滴“游泳机器人”升降温变化示意图。图片来源： Nat. Phys. [5]
“这是一种新型的推进机制，它利用被挤出纤维的弹性来实现运动”，荷兰莱顿大学的物理学家Daniela Kraft评论道，“这是一项漂亮的工作” [6]。
Rechargeable self-assembled droplet microswimmers driven by surface phase transitions
Diana Cholakova, Maciej Lisicki, Stoyan K. Smoukov, Slavka Tcholakova, E. Emily Lin, Jianxin Chen, Gabriele De Canio, Eric Lauga & Nikolai Denkov
Nat. Phys., 2021, DOI: 10.1038/s41567-021-01291-3
参考文献：
[1] F. Soto, et al . Medical Micro/Nanorobots in Precision Medicine. Adv. Sci ., 2020, 7 , 2002203. DOI: 10.1002/advs.202002203
[2] D. Walker, et al . Optimal Length of Low Reynolds Number Nanopropellers. Nano Lett. , 2015, 15 , 4412-4416. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01925
[3] E. Han, et al. Low-Reynolds-number, biflagellated Quincke swimmers with multiple forms of motion. PNAS, 2021, 118 , e2022000118. DOI: 10.1073/pnas.2022000118
[4] N. Denkov, et al . Self-shaping of oil droplets via the formation of intermediate rotator phases upon cooling. Nature , 2015, 528 , 392-395. DOI: 10.1038/nature16189
[5] Ramananarivo, S. Have tail, will travel. Nat. Phys ., 2021, DOI: 10.1038/s41567-021-01301-4
[6] Tentacled droplets swim with stored heat energy
https://www.chemistryworld.com/news/tentacled-droplets-swim-with-stored-heat-energy/4014005.article
（本文由 小希供稿）返回搜狐，查看更多