南科大机械系胡程志课题组在趋光微纳机器人取得研究新进展
发布时间：2021-02-10
近日，南科大机械与能源工程系副教授胡程志课题组在光驱动微纳米机器人的设计及应用方面取得最新研究进展，相关成果论文以“Isotropic Hedgehog-Shaped-TiO2/Functional-Multiwall-Carbon-Nanotube Micromotors with Phototactic Motility in Fuel-Free Environments”为题发表在工程综合类学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。
微纳米机器人是跨越机器人技术、信息技术、微纳技术、生物医疗工程、材料科学等学科的高度跨领域学科，近年来已多次入选国家科技部“智能机器人”重点专项。医疗用微纳米机器人可以在人体血液环境内游动，具有灵活操控性并能在小尺度下完成多种特定任务，如病灶诊断和靶向治疗，已经成为一个全新的机器人研究领域。在生物工程和医疗使用的微纳米机器人可在生物体内实现局部微创诊断、治疗、主动释药、组织去除、活体检测、植入功能性结构体等复杂的精细操作。近年来，微纳米机器人在制备工艺，运动机理，供能方式，集群控制，功能性以及在不同领域中的应用等方面取得了较大进展。微纳米机器人的运动控制对实现其机动性，可操控性，智能化，环境交互等方面至关重要。
为实现光驱动微纳机器人的方向性运动控制，胡程志课题组提出一种由功能化多壁碳纳米管包覆针状氧化钛（Hs-TiO2）微球构成的各向同性的光驱动微机器人。功能化多壁碳纳米管（FCNTs）与针状氧化钛微球紧密缠结，并在针状氧化钛微球表面上形成紧密的导电网络，使得光生电子从针状氧化钛微球转移到多壁碳纳米管，实现电子-空穴分离。电子与空穴在溶液中氧化还原产物会不对称分布，在微机器人周围形成离子浓度梯度，最终微机器人在自电泳的作用下实现运动。
微纳米机器人是跨越机器人技术、信息技术、微纳技术、生物医疗工程、材料科学等学科的高度跨领域学科，近年来已多次入选国家科技部“智能机器人”重点专项。医疗用微纳米机器人可以在人体血液环境内游动，具有灵活操控性并能在小尺度下完成多种特定任务，如病灶诊断和靶向治疗，已经成为一个全新的机器人研究领域。在生物工程和医疗使用的微纳米机器人可在生物体内实现局部微创诊断、治疗、主动释药、组织去除、活体检测、植入功能性结构体等复杂的精细操作。近年来，微纳米机器人在制备工艺，运动机理，供能方式，集群控制，功能性以及在不同领域中的应用等方面取得了较大进展。微纳米机器人的运动控制对实现其机动性，可操控性，智能化，环境交互等方面至关重要。
为实现光驱动微纳机器人的方向性运动控制，胡程志课题组提出一种由功能化多壁碳纳米管包覆针状氧化钛（Hs-TiO2）微球构成的各向同性的光驱动微机器人。功能化多壁碳纳米管（FCNTs）与针状氧化钛微球紧密缠结，并在针状氧化钛微球表面上形成紧密的导电网络，使得光生电子从针状氧化钛微球转移到多壁碳纳米管，实现电子-空穴分离。电子与空穴在溶液中氧化还原产物会不对称分布，在微机器人周围形成离子浓度梯度，最终微机器人在自电泳的作用下实现运动。
图1.微机器人制备流程及驱动原理图
由于针状氧化钛的高氧化还原电势，多壁碳纳米管优异的电子-空穴分离效率以及微机器人的各向同性结构，使得这些微机器人在无需添加化学燃料的纯水环境展示出优异的趋光运动行为。微机器人的运动方向及速度可以通过多种方式调控。如：调控光照方向及光照强度；改变微机器人表面的zeta电势等。微机器人的趋光运动行为，使得其在外加光照的引导下能够智能化的实现对靶向物体的跟踪。表面zeta电势对微机器人的趋/避光行为的影响，使得微机器人能够实现选择性集群运动，进而完成更加复杂的运动行为。
图2.微机器人在不同光照强度下的运动速度以及趋光性运动轨迹图
此外，由于该微机器人具有良好的光催化活性，而微机器人的自我推进能力可以更好的促进光催化剂/吸附剂与目标污染物之间的接触，进而更高效的进行水污染治理。通过对亚甲基蓝（MB）染料的降解发现，在加入微机器人的亚甲基蓝溶液中，通过一个小时的紫外光照，亚甲基蓝的降解效率能达到84%。另外由于微机器人的趋光运动特性，通过调节光照方向，成功实现了微机器人对惰性材料制成的聚苯乙烯微球的搬运。这为后续在微纳尺度下完成更加复杂的任务，例如运输，组装或传感等任务提供了基础。
图3.微机器人实现对亚甲基蓝降解和对聚苯乙烯微球的搬运
南科大机械与能源工程系博士生蒋怀德是论文第一作者，博士生何小丽，马艳梅等对论文做出了重要贡献。胡程志为本论文的唯一通讯作者，南科大为第一通讯单位。该研究获得了南科大机械与能源工程系徐少林教授等研究人员的大力支持。该研究项目获得了国家自然科学基金、深圳市面上项目的资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c19606
供稿：胡程志课题组
编辑：邓苏
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c19606
供稿：胡程志课题组
编辑：邓苏