當前，能夠自主運動的微馬達（Micromotor）技術(shù)得到了發(fā)展和關(guān)注。作為典型的活性顆粒，微馬達往往由表面物理化學屬性相異的兩部分組成，將周圍環(huán)境中的能量（如化學能等）轉(zhuǎn)化為自身運動的動能。因此借用古希臘的兩面神，稱為Janus微馬達。一種典型的Janus球形微馬達一個半球材料為鉑（Pt）而另一半為SiO?，在H?O?溶液中于Pt表面發(fā)生催化分解反應(yīng)：。已有研究發(fā)現(xiàn)，當Janus微馬達的尺寸達到幾十微米時，氧分子可以凝聚成核形成氣泡，Janus微馬達的運動機制將從梯度場主導的泳動驅(qū)動（Phoretic Motion），轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽课馀萏峁﹦恿Φ臍馀蒡?qū)動（Bubble Propulsion）。得益于氣泡潰滅時的高能量，氣泡驅(qū)動型微馬達運動最大速度可達0.1m/s，具有較強的運動能力，使其在高效水污染處理及醫(yī)療健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出較強應(yīng)用前景。

近年來，新興的游泳微機器人（Swimming Microrobot）技術(shù)要求氣泡微馬達研究在掌握流動機理的基礎(chǔ)上增強可操控性，完成向氣泡微機器人（Bubble Microrobot）的升級。國際前沿研究報道了氣泡微機器人應(yīng)用于液氣界面附近的微組裝平臺，實現(xiàn)對微芯片的一體化裝配；或被用于眼部輔助手術(shù)，為更換角膜及眼睛房水內(nèi)藥物輸運提供新手段。而從氣泡微馬達到氣泡微機器人的升級，需要研究人員從機理可靠、智能可控及功能全面等三方面給出解決方案。

中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室微納流動研究團隊發(fā)展了新型磁控多工作模式的氣泡微機器人。研究搭建了三維Helmholtz線圈磁控系統(tǒng)，可對內(nèi)嵌磁性鎳層的Janus微球的朝向及運動通過手柄或程序進行便捷且高效的操控（圖1），并首次提出通過磁場調(diào)整液氣界面附近Janus微球的朝向，即可實現(xiàn)氣泡微機器人的遠程速度調(diào)制（圖2）。

圖1 基于三維Helmholtz磁控系統(tǒng)采用手柄即可對氣泡微機器人進行靈活操控

圖2 通過磁場調(diào)整液氣界面附近Janus微球的朝向以實現(xiàn)氣泡微機器人的遠程速度調(diào)制

此外，該研究通過實驗揭示了微氣泡潰滅引起射流的流動特征，并通過調(diào)整Janus微球、微氣泡、目標物的相對位置，利用射流流動實現(xiàn)了對目標推進、錨定、抓取等不同功能（圖3）。微氣泡在液氣界面附近潰滅還會產(chǎn)生表面毛細波，可對遠場顆粒進行大范圍清掃（圖4），且表面波遠場功能與與射流近場功能可進行可控切換。

圖3 通過調(diào)整Janus微球、微氣泡、目標物的相對位置，利用射流流動及表面波實現(xiàn)了對目標推進、錨定、抓取、清掃等不同功能

圖4 遠場作用