哈工大公布磁性液态金属研究成果 磁性微型软体机器人获重大突破

  电影《终结者》里面的液态金属机器人T-1000让人印象非常深刻，但如果说，有一天科研人员研发出了可变性能执行命令的液态金属磁性软机器人你会感觉到惊讶吗？是否会认为液态金属机器人又离我们近了一步呢？

  近日，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授马星、副教授金东东提出了一种创新的复合材料制备策略，它能够应用于构建液态金属磁性微型软体机器人。这一突破性的研究成果已于近日发表在《自然通讯》（《Nature Communications》）上，该项研究代表了该科研团队在液态金属磁性软体机器人领域取得了重大进展。

  相比于刚性机器人，软性机器人拥有更好的变形自由度，并能够吸收碰撞产生的能量。这为缩小人类与机器人之间的差距提供了机会。当软体机器人的尺寸缩小到毫米或更小尺寸时，微型软体机器人便能够在人体内难以接近的区域执行更为复杂的任务。这为生物医疗领域带来了更广阔的商用应用场景。

  目前，已有多项策略被用于驱动和控制小型软体机器人。其中，具备磁性微型软体机器人因其组织透明性、远程操作能力及精确、快速而简单的磁场调制而受到广泛关注。磁性微型软体机器人一般会用磁性物质（如铁粉、钕铁硼微粒、氧化铁磁性纳米粒子等）编码在弹性体、水凝胶和流体等软材料基体中而设计制造的。在外加磁场的作用下，这些机器人能按需变形并实现一系列运动行为，如滚动、爬行、跳跃、游泳等。

  与基于聚合物的机器人相比，由磁响应流体构成的微型软体机器人通常具有更高的柔软度和变形自由度，使其更能适应生物医学应用中动态和非结构化的工作环境。

  目前来看，在材料应用层面，水和有机溶剂已被广泛用作基于液体软机器人的基质，但由于其潜在的附着、蒸发和毒性风险，因此在人类复杂的生理条件下使用会带来一定的危险。而考虑到安全性，镓基液态金属由于其不混溶性、柔韧性和生物相容性，成为一种相对最优选择。科学家们通过镓基液态金属与金属磁性粉末（如Fe、Ni、NdFeB和Gd）混合，成功制备出磁性LMMSR复合材料。这些材料能够最终靠编程磁场来展示各种可控的机器人行为。

  然而，跟着时间的推移，LMMSR与金属掺杂剂之间可能会发生合金化反应，导致磁性材料晶体结构的转变，从而逐渐降低磁响应性能。为解决这一问题，研究人员在与LMMSR混合前在铁粉表面涂上一层银壳，作为牺牲层与LMMSR发生反应，从而保护铁粉免受腐蚀。然而，如果混合磁粉泄漏或溶解到周围环境中，可能会对生物造成了严重的伤害，目前的磁性LMMSR复合材料非常有可能出现这样一种情况。

  因此新的研究课题方向转移到了将惰性和生物兼容的四氧化三铁磁性颗粒加入LMMSR中，而最重要的问题是解决四氧化三铁和LMMSR之间因表面能严重失配而造成的界面不润湿现象。此前有报道称，剧烈的机械研磨能有效地促进无机氧化物（如氧化石墨烯、氧化铝等）通过配位结合与LMMSR复合，但这仍然是一个耗时耗力的过程。这需要在掺杂颗粒上形成 LMMSR 表面氧化物层。因此，这些氧化膜会削弱 LMMSR 的流动性，但如果将其去除，氧化物颗粒在外部刺激下很容易渗出，从而使制备的功能复合材料失效。因此，基于LMMSR的磁性微型软机器人非常需要氧化铁和LMMSR之间的有效组成策略，以保证令人满意的柔软性、磁性和稳定性。

  为此，哈工大马星教授团队提出了一种简便的制备磁性LMMSR复合材料的方法。该方法通过在共晶镓铟中加入不可润湿的氧化铁磁性纳米粒子，利用LMMSR与修饰有银外壳的四氧化三铁纳米粒子之间的反应润湿性。为了改善磁性剂之间的界面润湿性和LMMSR的性能，研究人员采用聚多巴胺层和银纳米粒子对四氧化三铁纳米粒子进行功能化处理。结果显示，通过机械研磨、电化学熔融和酸促进的融合等多种方法，能够迅速、彻底地进行合成。

  通过显微表征结果能看到，银和铟成分合金化反应形成的AgxIny金属间化合物是嵌入和固定四氧化三铁纳米粒子到液态金属基体的锚定位点，有助于提高悬浮稳定性。通过精心调节FPA的质量分数，成功制备出了具有理想流动性和磁性的磁性LMMSR复合材料，可用作小型软体机器人。在外界磁场的驱动下，软体机器人能按需进行变形和运动。

  除此之外，研究团队所开发的与生物组织不相容的软体机器人能够在集成了磁铁的机械臂控制下，通过成像模式（如内窥镜和 X 射线成像）进行原位监测，在离体猪胃中进行灵巧导航和有明确的目的性的货物运输。因此，他们的方法为扩展基于LMMSR的磁性微型软体机器人在介入治疗和微创手术中的应用提供了一种通用策略。

  研究团队为了可以与LMMSR复合，特意设计了四氧化三铁磁性纳米粒子的成分和表面特性。由于LMMSR的润湿能力，选择银作为中间层来功能化四氧化三铁纳米颗粒，从而得到核壳结构的磁性剂。

  实验展示了氧化铁磁性剂制备和润湿性调节的制备过程，其中采用水热法合成了平均直径约为850纳米的单分散四氧化三铁纳米粒子，随后，研究人员展示了所获得磁性剂的透射电子显微镜（TEM）图像和能量色散 X 射线（EDX）光谱图，清楚地显示了其核壳结构形态，以及铁、氧、氮和银的元素分布。

  傅立叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）图谱用于表征制备过程中组分的变化。当使用FPA（80 mM）膜时，桃形液态金属滴液（接触角大于 140°）在加入盐酸后立即变得扁平，接触角小于 59.8°，这表明 FPA（80 mM）与液态金属之间拥有非常良好的润湿性。然而，跟着时间的推移，液态金属滴液重新变为球形，接触角也随之增加到 118.6°。液态金属液滴在不同 FPA 膜上的接触角随时间的定量变化。

  随后，研究人员接着使用液态金属-FPA（100 mM）复合材料的LMMSR的变形能力。施加外磁场时存在两种变形模型，包括被动变形和主动变形。前者是指LMMSR在驱动过程中由于周围边界的限制而受压而改变其流体形状的行为。相比之下，后者代表了LMMSR遇到强度分布不均匀的磁场时的自发变形行为。

  除了变形性能外，LMMSR还需要能够按需执行任务，如跨越障碍、运输货物、拆分、合并等，以满足多种应用场景的需求。

  液态金属-FPA 复合材料的细胞毒性对于生物医学应用至关重要，在执行任务之前首先对其进行了研究。在测试过程中，LMMSR通过超声波雾化被分解成微粒，以改善复合材料和测试细胞之间的相互作用。实验多个方面数据显示，研究团队开发的LMMSR表现出优异的生物相容性，为下一步生物医学应用奠定了基础。

  研究团队提出了一种复合制备策略，以消除表面能的实质性失配，并改善LMMSR与金属氧化物之间的润湿性，从而通过多种融合法实现液态金属与四氧化三铁纳米粒子的简便快速结合。通过引入中间银层调节四氧化三铁纳米粒子的润湿性后，银与铟成分之间的合金化反应诱导了液态金属液滴在FPA 膜上的延伸和收缩。

  实验通过外磁场编程，制备的LMMSR复合材料表现出多种可控的变形和运动行为（被动/主动变形、分裂、融合、迁移等），进一步证明了其能够在体外进行靶向货物运输。

  最后，在内窥镜和X射线成像的监测下，马星教授团队验证了将所开发的生物相容性LMMSR 应用于离体猪胃的可行性，为实现基于LMMSR的微型软机器人的临床应用迈出了一步。这是一个非常重大的发现，再次祝贺马星教授团队！

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