利用微纳米马达集群搬运惰性粒子的方法与流程

本发明属于微纳米马达技术领域具体涉及利用微纳米马达集群搬运惰性粒子的方法。

背景技术：

自然界中有大量生物，它们作为个体仅具有有限的感知和行动能力，但通过局部自组织交互作用形成的生物集群，却往往能表现出个体不具备的群体行为和协同功能，完成诸如协作搬运、迁徙、觅食、筑巢、御敌等复杂的团队任务。微纳米马达是一类尺寸在微纳米级别，能够将环境中其他形式的能量(如化学能等)转换成自身动能的微纳米机器(nanoscale2014,6,7175；nanoscale2013,5,4696；acsappl.mater.interfaces2014,6,9897；small2014,10,4154；chem.rev.2015,115,8704)。与生物体类似，有些微纳米马达可以向环境中释放各种物理化学信号，并与其附近的其他微纳米马达产生交互而自组织形成微纳米马达集群(acc.chem.res.2015,48,1938)。比如，美国宾夕法尼亚州立大学sen和mallouk课题组(angew.chem.int.ed.2009,48,3308；j.am.chem.soc.2013,135,1280；adv.funct.mater.2010,20,1568)利用胶体粒子间的扩散泳相互作用，发展了agcl、ag3po4和sio2/tio2微米马达集群。solovev等人(nanoscale2013,5,1284)利用毛细力相互作用构建了气泡驱动管状引擎集群。美国加州大学圣迭戈分校wang课题组(nanolett.2015,15,4814)利用粒子在驻波声场中向波节(或波腹)聚集的效应，发展了自驱动双金属棒状纳米马达集群，通过调节超声频率改变驻波场波节与波腹的位置，能调控纳米马达集群的位置和移动。由于微纳米马达集群具有良好的容错性、冗余性和自适应性，因而可以预期它们能够展现出个体微纳米马达不具备的协同功能，有望作为可编程的微纳米机器在微纳米尺度下完成货物协作搬运、微纳米器件原位组装与加工、微空间遥测、药物输送和微手术等复杂任务，给生物医用、环境监测和治理、微纳米加工工程等领域带来变革性应用技术。但迄今发展的这些微纳米马达集群要么仅能实现聚集、分散功能，要么整体运动方向难以控制。它们都无法预先规划或实时按需控制运动方向和轨迹，而且目前也鲜有微纳米马达集群应用方面的相关报道。最近，香港中文大学张立课题组(nat.commun.2018,9,3260)利用振荡磁场实现磁性集群在复杂液体环境中自由伸缩变形及定向运动；哈尔滨工业大学贺强课题组(sci.robot.2019,4,eaav8006)利用磁涡旋马达集群实现了其定向运动及对大型货物聚苯乙烯微球的搬运。然而对三维复杂振荡磁场的依赖严重制约了其可操作度及实际应用。因此，发展构建一种运动方向精确可控，无需特定复杂外场，且能对“大型货物”进行协作搬运的微纳米马达集群是本领域亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种可精确控制微纳米马达集群运动方向和轨迹的方法并实现集群对惰性粒子的仿生协作运载。

为实现上述目的，采用技术方案如下：

利用微纳米马达集群搬运惰性粒子的方法，包括以下步骤：

将锐钛矿tio2微纳米粒子分散在去离子水中配成悬浮液，滴加到玻璃基板上后静置1-5min得到微纳米马达集群；

加入双氧水作为燃料，通过控制光源开关、光源方向、光源强度、光照时间控制微纳米马达集群的运动，裹挟目标惰性粒子并实现对惰性粒子的搬运。

按上述方案，所述锐钛矿tio2微纳米粒子的粒径范围为0.025-20μm。

按上述方案，所述惰性粒子的粒径范围在10μm以下。

按上述方案，所述光源为波长在400nm以下的光。

按上述方案，所述光源与水平面法线的夹角为θ，且0°≤θ<90°。

按上述方案，所述光源输出功率在0.06w以上。

按上述方案，所述双氧水在体系中浓度为0.005wt％以上。

按上述方案，通过对微纳米粒子浓度的控制，实现对微纳米马达集群聚集尺寸的控制；随着浓度的增加，微纳米马达集群聚集状态下的尺寸呈现增大趋势。

按上述方案，通过对光照时间、光源强度或双氧水浓度的控制，实现对微纳米马达集群实时尺寸及运动速率的控制；随着光照时间、光源强度和双氧水浓度的增加，微纳米马达集群的实时尺寸和运动速度均呈现增大趋势。

按上述方案，通过对光源入射方向的控制，实现对微纳米马达集群运动方向的控制；当光源从非垂直于玻片方向射向微纳米马达集群时，微纳米马达集群会朝着光源入射方向运动，同时由于粒子散开使自身的尺寸增大，而当改变光源方向时，微纳米马达集群的运动方向也立即随之改变；光源垂直于玻片方向，微纳米马达集群表现出尺寸的增大而没有方向性运动。

本发明有益效果如下：

本发明可以精确控制微纳米马达集群运动方向和轨迹的方法，具有操作简单，操控精度高，适用范围广泛等特点。

本发明所述惰性粒子的尺寸远大于单个微米马达的尺寸，无法被单个马达搬动；该集群可以对不同表面性能、不同数量的货物进行装载、运输和释放。

本发明可以通过控制光照方向、光照强度、光照时间来控制马达集群对惰性粒子的精确抓取、运输和释放，有望推动微纳米马达在微区空间探测、传感，以及协作抓取、运输和组装领域的实际应用。

附图说明

图1：实施例1各向同性二氧化钛微米粒子的扫描电镜图(a)、显微镜下集群构建图(b)、xrd衍射图(c)和tg-dsc分析图(d)。

图2：在自然光(a)和黑暗条件下(b)集群形成情况。

图3：集群尺寸和整体运动速度分别随光照强度(a、b、c)和燃料浓度(d、e、f)的变化趋势。

图4：光照设备示意图。

图5：循环开关紫外灯的时间图。

图6：光导航各向同性tio2微米马达集群的定向运动轨迹图。

图7：微米马达集群的适应性形变。

图8：光导航控制二氧化钛微米马达协作搬运惰性粒子实现定向运动的轨迹图。

图9：该光控二氧化钛微米马达实现对惰性粒子的卸载。

图10：不同粒径二氧化钛粒子在水溶液中聚集形成集群的显微图。

图11：二氧化钛微米马达在不同粒子浓度条件下形成的集群显微图。

图12：二氧化钛微米马达集群搬运不同表面性能货物的时序图，(a)氨基ps球；(b)羧基ps球。

图13：二氧化钛微米马达集群的平均运动速度与所携带货物数量之间的关系。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种基于各向同性tio2微米马达的集群构建和趋光性运动控制方法：

取各向同性的锐钛矿tio2球形微米粒子，将其分散于去离子水溶液中配置成0.35mg/ml的粒子悬浮液。取少量粒子悬浮液分散至一定浓度的双氧水燃料(0.25wt.％)中，等待1-5min左右，即可得到自聚集形成的微米马达集群。搭建光照平台，设置光与水平面夹角为β(0°≤0<90°)，设定光源输出功率为p(>0.06w)，通过控制光照开关、光照方向即可精确控制tio2微米马达集群的运动方向和轨迹。

利用扫描电子显微镜(sem,s-4800,hitachico.,ltd.,japan)、倒置荧光显微镜(leicadm3000b)、x射线衍射分析仪(xrdbrukerd8advancex-raydiffractometer)和热重分析仪(netzsec,sta-449c,germany)对所取二氧化钛微米粒子进行显微形貌表征和物相表征，结果如图1中a、b、c、d所示。图1a说明了这种用来构建马达集群的结构基元为1.2μm左右的球形粒子；图1b说明在水溶液中可以自主聚集形成集群；图1c和d表明此粒子中含有锐钛矿tio2和水合tio2。

各向同性tio2微米马达集群的性能测试：

1)自然光对集群形成的影响测试

将实施例1所得微米马达集群与过氧化氢的混合液分别放置到有自然光和黑暗的环境体系中，采用荧光显微镜(leicadm3000b)观察tio2微米马达形成集群的情况。如图2中a、b所示，表明马达在自然光或黑暗环境下均能自发聚集形成集群。

2)微米马达集群尺寸和整体运动速度随光照时间、光照强度、燃料浓度的变化测试

以实施例1的图1b中获得的tio2微米马达集群为对象，利用外置紫外发射装置(365nm)对其进行照射，改变光照时间、光照强度和燃料浓度，采用荧光显微镜(leicadm3000b)观察tio2微米马达集群尺寸和运动速度的变化。如图3a、b、c、d、e、f所示，随着光照时间、光照强度和燃料浓度的增加，集群的尺寸和运动速度均呈现增大趋势。

3)微米马达集群的趋光性运动性能测试

以实施例1的图1b中获得的tio2微米马达集群为对象，搭建如图4所示光照平台，以如图5所示程序来控制紫外灯的开关，其中a图为循环开关y轴方向紫外灯的时间图；b图为循环开关x轴方向紫外灯的时间图。采用荧光显微镜(leicadm3000b)观察tio2微米马达集群位置的变化。实验中光强为1w/cm²，双氧水浓度为0.25wt.％。结果如图6所示，表明光可以精确控制集群的运动方向和轨迹。

4)微米马达集群根据环境自适应变形的能力测试

以实施例1的图1b中获得的tio2微米马达集群为对象，以如图4中所示光照平台操控集群。对集群进行长时间光照(>1min)，结果如图7a所示，一个大集群能够解体形成18个小集群，并且最终可以重新聚集成大集群。当在环境体系中存在障碍物或者狭窄的管道时，以如图4中所示光照平台操控集群，采用荧光显微镜(leicadm3000b)观察tio2微米马达集群形态位置变化，结果如图7b、c所示，表明该微米马达集群在碰到障碍物和管道时，可以调整自身的形态来跨越障碍物和穿过狭窄的管道。

5)微米马达集群仿生协作搬运惰性粒子的性能测试

以实施例1的图1b中获得的tio2微米马达集群为对象，向体系中加入0.01mg/ml的sio2粒子(10μm)，以如图4中所示光照平台操控集群的运动方向和轨迹。采用荧光显微镜(leicadm3000b)观察tio2微米马达集群与sio2粒子之间的相互作用，实验结果如图8和图9所示。表明tio2微米马达集群可以对大型惰性粒子进行仿生协作搬运，精确完成货物的定点运输和释放。

实施例2

将实施例1中构建集群的tio2微米粒子分别换成p25(25nm)纳米tio2和利用微乳液法制备的大尺寸tio2微米粒子(5-20μm)，将二者分别分散于去离子水溶液中配置成一定浓度的粒子悬浮液。取少量粒子悬浮液滴加至玻璃基板上，采用荧光显微镜(leicadm3000b)对粒子聚集情况进行表征。结果如图10所示

实施例3

将实施例1中粒子悬浮液浓度分别调整到0.15、0.5、0.75mg/ml，重复以上实施例1的步骤，得到tio2微米马达集群，采用荧光显微镜(leicadm3000b)对粒子聚集情况进行表征，如图11所示，说明当粒子浓度高于0.15mg/ml时能得到尺寸不一的集群，粒子浓度越高，得到的集群尺寸越大。

实施例4

以实施例1的图1b中获得的tio2微米马达集群为对象，向体系中加入0.01mg/ml的nh4-ps球和cooh-ps球粒子(10μm)，以如图4中所示光照平台操控集群的运动方向和轨迹。采用荧光显微镜(leicadm3000b)观察tio2微米马达集群与nh4-ps球和cooh-ps球粒子之间的相互作用，实验结果如图12所示。表明该微米马达集群可以搬运不同表面修饰的货物粒子，适应性广泛。

实施例5

以实施例1的图1b中获得的tio2微米马达集群为对象，向体系中加入0.1mg/ml的sio2粒子(10μm)，以如图4中所示光照平台操控集群的运动方向和轨迹。采用荧光显微镜(leicadm3000b)观察tio2微米马达集群与多个sio2粒子之间的相互作用，计算货物数量对运输速度的影响规律，结果如图13所示。表明该微米马达集群能够同时搬运多个惰性粒子，且其运输速度随着货物数量的增加而降低。

本发明涉及到的集群构建行为、粒子浓度(马达和货物)、粒子尺寸(货物)、光照强度、光照时间、光照方向变化以及燃料浓度等参数、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。