磁性纳米粒子链远程控制新型“软体机器人”

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北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发出了一种技术，该技术使用磁性纳米粒子链在三维空间中操纵弹性聚合物，这可用于远程控制新型“软体机器人”。

磁性纳米粒子链不仅可以控制软体机器人的运动，而且非常灵活，该能力使它们无论是在生物医学技术上还是在制造工艺上都具有广阔的应用前景。研究人员对于使用磁场来控制这些软体机器人的运动非常感兴趣，因为它不仅可以远程操控，而且磁场很容易从永久磁铁和电磁铁中获得，该控制不需要物理连接到聚合物即可实现。


研究小组现在已经发现了一种把纳米磁性粒子的长链嵌入弹性聚合物片材，从而形成磁性聚合物纳米复合材料的方法。通过施加磁场，研究人员可以控制纳米复合材料的弯曲方式——使其成为软体机器人。


该过程首先将磁铁矿纳米粒子——氧化铁——分散在溶剂中，形成混合物，然后将混合物倒入模具中形成预期的形状，最后把聚合物溶解其中。施加磁场，使磁铁矿纳米粒子排列成平行链。将溶液干燥，使链固定，然后切割纳米复合材料改善其形状。


“使用这种技术，我们可以创造大量不同形状的可以远程操控的纳米复合材料，”北卡罗来纳州的学生以及关于该工作论文的第一作者Sumeet Mishra博士说。 “纳米粒子链给了我们一个增强的反应，通过控制磁场的强度和方向，即可以控制软体机器人运动的程度和方向。”


该机制源于链的结构。研究人员还构建了一个简单的模型来解释链式纳米粒子是如何影响磁场的机械反应的。


这里的关键是，链中的纳米粒子和它们的磁偶极子以头——尾的方式排列，即一个磁性纳米粒子的正极与下一个粒子的负极相连，一直排列形成链状，”北卡罗来纳州材料科学与工程的副教授以及本文的通讯作者Joe Tracy说。“所谓的磁各向异性是纳米粒子排列成链所引起的。无论磁场施加在任何方向，链都会重新定位并尽可能平行于磁场，这仅由重力约束和聚合物弹性决定。”