磁性微型机器人用聚合手捕获水中的细菌

微米和纳米级机器人系统代表了材料科学和纳米技术的前沿。微型/纳米机器人是以运动能力为特征的人工机器，通常由附近的化学物质（例如_H2O2、酶）、外部能量场（光、磁、声和电）或固有的自推进机制。由可编程功能或集体行为赋予，微型/纳米机器人极大地提高了非运动系统的性能。其中，具有集群行为的磁驱动微型/纳米机器人在实现更复杂的功能方面具有巨大的前景。微型机器人集群可以比作协同工作的单个机器人实体，模拟在自然集群中观察到的集体行为。与单个单元的能力相比，微型机器人集体的同步和控制动作可以进一步放大功能效率，并使它们能够协作并生成更高阶的功能。

然而，由于密集的磁性粒子倾向于在磁场的作用下聚集在一起，从而极大地影响了它们的运动和无线控制，因此具有内部协调性的密集移动微型机器人群的精细控制仍然是一个重大威胁。此外，虽然微/纳米机器人集群在显微操作和生物医学应用中显示出结果，如药物输送、造影剂、Lab-on-a-Chip生物传感系统、热疗剂，在净水领域的探索仍处于起步阶段。

高分子磁性微机器人的运动分析

在这项研究中，微型机器人的核心由一个超顺磁珠组成。当没有外部磁场激发时，这些磁性粒子分散在水中并有布朗运动。施加一个外部旋转磁场（范围从3到5 mT）时，单个珠子，最初很好地分散在水中，与施加的磁场对齐，沿着它们的磁偶极子相互吸引。由于单个磁珠水平上的相互磁相互作用，这导致它们自组织成紧凑的平面。对这些小珠的精确控制有效地抵消了不受控制的大聚集体的形成。图2a的延时图像描绘了微机器人群平面的时间进程，展示了从分散的聚合物微机器人到多个有序平面的集合的转变，这些平面在沿xy轴施加5 mT的磁场时同时形成，在10-100 Hz的窄频率范围内，最后在横向旋转磁场下形成旋转平面群。形成的蜂群显示了短链和长链的混合物，分别反映了较小和较大的平面。通过改变磁场的导航角（α），可以精确地驱动旋转平面靠近显微镜玻片表面，从而使其沿xy平面运动。值得注意的是，实验结果表明，旋转平面的平移速度与其组成珠的数量有关。具体来说，在5 mT，10 Hz的横向磁场下，速度值显示出与平面上珠粒数量的近线性增长（图2b）。

图. 高分子磁性微机器人的运动行为^[1]

高分子磁性微型机器人捕获细菌

光学显微镜和扫描电镜图像以及吸光度测量证明了聚合物磁性微机器人捕获细菌的能力。与对照实验的比较表明，表面含有叔胺和疏水性基团的移动微型机器人的设计有助于其优越的性能。可以推测，当聚合物链与磁珠结合时，阳离子官能团数量的增加增强了静电相互作用，而聚合物链与叔胺施加的空间阻碍阻止了细菌的迁移。这一现象主要归因于细菌通过聚合物基质被捕获后的有限扩散，强调了位阻在微型机器人增强对可移动细菌的捕获中的作用。此外，阳离子聚合物上的甲基可能通过疏水相互作用促进插入细菌细胞膜，有助于提高聚合物磁性微机器人的捕获效率。

结论

提出了一种针对复杂水净化的解决方案，即开发具有聚合物“手”的磁控珠作为污染物隔离剂。当暴露于外部施加的旋转磁场时，这些磁珠动态地组装成旋转的微型机器人平面，表现出蜂群行为。微机器人的运动能力显著增强了对水中自由游动的革兰氏阴性菌和分散的微塑料的主动捕获能力，并有可能将其应用于其他细菌类别。此外，利用超声波的回收程序确保了微型机器人的有效重复使用。总之，所提出的工作可促进能够同时捕获多种水污染物的混合有机/无机系统的发展。

参考文献：

[1] Ussia M, Urso M, Oral C M, et al. Magnetic Microrobot Swarms with Polymeric Hands Catching Bacteria and Microplastics in Water[J]. ACS nano, 2024, 18(20): 13171-13183.