一种能够自发同步的仿生微纳机器人

同步是自然界生物体中广泛存在的一种现象。通过各个部件或个体的彼此同步，生物体或其群体可以实现许多复杂且至关重要的功能，如亿万心肌细胞的同步跳动共同完成心脏的搏动；萤火虫群体的同步闪烁帮助其识别异性同类等。受自然界中同步现象的启发，哈尔滨工业大学（深圳）的王威（点击查看介绍）课题组及其合作者研究了微纳机器人之间的同步现象，为微纳机器人之间的协同工作和对其集群控制提供了一种新的仿生思路。

自上世纪中叶开始，人们就对微纳米机器人产生了浓厚的兴趣。在人们的想象中，这种微小的机器能够独立自主的运动，又能够和外界交流，还能自己思考做决定，因此充满了无尽的应用可能。近二十年来，学术界对一类简单的微纳米机器人进行了大量的研究。这种被称为“微纳米马达“的微机器具有自主运动和刺激响应等特性，因此在生物医药、分析传感、污染降解等领域展现出了巨大的应用前景。

面对复杂环境，大量微纳米马达的协同工作往往具有更大的优势。例如，一大群微马达可以在血液内分批次的到达肿瘤，然后互相协作，释放出多种药物，从而高效、低副作用的杀死肿瘤细胞。而要想实现这样的群体协作，就需要对大量的微马达进行高效的集群控制。目前人们主要通过复杂外界物理场驱动微马达完成群体工作，而研究表明化学驱动的微马达可以通过一种或几种化学物质的传递完成马达之间的自主交流，有望实现更加自主的相互协作。

在本工作中，王威课题组使用了一种光化学驱动的振荡微马达体系。这种马达一半是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）高分子微球，另一半覆盖银，在特定的化学条件下，会产生周期性的“一走一停”的振荡运动（图1）。在前期工作中（ACS Nano, 2019, 13, 4064-4072），王威课题组还对这种振荡行为产生的原因进行了机理探讨。而在这一工作中，作者们系统的研究了这种振荡的微马达单个马达之间、马达团簇以及团簇之间三个层面的同步现象。

图1. 单个振荡马达的“一走一停”的运动行为

作者发现当单个振荡微马达彼此距离较远的时候，每个个体拥有自己的振荡节律，互不干扰。当施加一个外部的聚拢作用力时（例如超声波），微马达可以慢慢的彼此靠近，并且靠近到一定距离后，微马达开始同时振荡，但此时每个马达依然保持自身原有的运动方向（图2）。而当振荡微马达进一步靠近形成团簇时，马达不仅同时振荡，而且其运动方向不再受个体取向所支配，团簇展现出了心脏跳动似的周期性的膨胀和收缩。此外，振荡的团簇同样可以视为一个基本的振荡单元，在彼此靠近时，振荡频率不同的两个团簇也会发生同步现象，即两个团簇以相同的节奏膨胀收缩，且同步后的频率介于两个团簇同步前的各自的频率之间（图3）。

图2. 多个振荡马达彼此靠近过程中的同步行为

图3. 两个振荡团簇彼此靠近过程中的同步行为

最后，作者指出，相邻振荡马达周围的离子场往往会相互影响和叠加，这会促使马达协调彼此的运动步调，而马达靠得越紧，同步和集体行为就越强。后续对微纳米马达之间同步行为的进一步研究有望帮助人们实现马达之间自主的协同工作。

本文工作发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是哈尔滨工业大学（深圳）材料学院博士研究生周超，通讯作者为王威教授。本文的共同作者还包括日本明治大学的信彦末松教授。

除了以上提及的工作以外，近期王威课题组还发表了两篇关于振荡微纳米马达的研究。在一项工作中，研究了周期性振荡马达个体和群体对周期性闪烁的光会做出何种响应（陈曦，ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 11843-11851）。另一项介绍了振荡的马达可以“教会”非振荡的马达展现出振荡行为这一有趣的现象（周超、王启璋，Chem. Comm., 2020, 48, 6499-6502）。这些工作体现了振荡体系能够涌现出丰富有趣的仿生现象，也展现了与外界与众不同的交互行为。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Coordinating an Ensemble of Chemical Micromotors via Spontaneous Synchronization

Chao Zhou, Nobuhiko Jessis Suematsu, Yixin Peng, Qizhang Wang, Xi Chen, Yongxiang Gao, Wei Wang*

ACS Nano, 2020, 14, 5360–5370, DOI: 10.1021/acsnano.9b08421

研究团队简介

周超同学2013本科毕业于哈尔滨工业大学（威海）电子封装专业，2014加入王威教授课题组，目前为哈尔滨工业大学（深圳）材料学院博士研究生，主要从事振荡活性胶体颗粒，多物理场数值模拟等研究工作。

王威教授2008年本科毕业于哈尔滨工业大学应用化学专业，2013年获得美国宾州州立大学化学博士学位。2014年至今就职于哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院，现任教授，博士生导师。2016.2-2017.2期间王威在韩国基础科学研究院软物质与活性物质中心Granick课题组进行访问研究作。王威2014年入选深圳市地方级领军人才，2017年起担任中国微纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事，2018年入选哈工大青年拔尖教授。王威课题组研究领域为微纳米智能仿生材料与软物质，研究内容包括微纳米低维材料的制备、微纳米活性胶体、动态自组装、数值模拟等。在Acc. Chem. Res.、Science Advances、ACS Nano、JACS、Advanced Materials、PNAS、Angewandte Chemie等国内外高水平期刊上共发表学术论文五十余篇，引用2500余次，H因子23，研究成果受到国内外同行的广泛关注和高度评价，并被国内外媒体如CNN、BBC等报道。

课题组网站

https://www.x-mol.com/university/faculty/65918

http://weiwang-hitsz.weebly.com/