在材料科學(xué)中，液滴操作能為水收集,、醫(yī)學(xué)診斷和藥物傳遞技術(shù)做出貢獻(xiàn),。雖然基于結(jié)構(gòu)的液體操作廣泛應(yīng)用于自然界和生物啟發(fā)的人工材料，但實(shí)驗(yàn)室的策略依賴(lài)于固定結(jié)構(gòu)的單向水運(yùn)動(dòng),。發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》的一項(xiàng)新研究中,，An Li和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所一個(gè)研究小組提議開(kāi)發(fā)一種磁控機(jī)器人。該結(jié)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)來(lái)分配阻力和確定液滴行為,。該機(jī)器人能夠運(yùn)輸,、分裂、釋放和旋轉(zhuǎn)液滴,，適用于各種領(lǐng)域和惡劣環(huán)境,。新的發(fā)現(xiàn)為自動(dòng)控制液滴提供了一種有效的策略。

在這項(xiàng)研究中,，An Li等人想出了一種可靠的方法,，在可編程的磁場(chǎng)中，使用帶鋼珠的磁性驅(qū)動(dòng)機(jī)器人操縱液滴,?？茖W(xué)家們通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)來(lái)控制機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。不同的機(jī)器人結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同的液滴行為組合,，包括分裂,、釋放、旋轉(zhuǎn)和運(yùn)輸,。適用于水,、油、氣等各種流體。An Li等人幫助機(jī)器人在有限的空間,、不平整的表面甚至在無(wú)水或無(wú)氧條件下驅(qū)動(dòng),。這項(xiàng)工作在材料運(yùn)輸、微細(xì)加工和臨床醫(yī)學(xué)方面具有巨大的潛力,。

實(shí)驗(yàn)室里的液滴操作是受到大自然的啟發(fā),。例如，就植物和動(dòng)物來(lái)看,，在仙人掌中展示了霧收集系統(tǒng),，在蜘蛛絲上展示了水收集系統(tǒng)，并影響了納米布沙漠甲蟲(chóng)收集和移動(dòng)水的行為,。水樣采集的非對(duì)稱(chēng)性和固有的結(jié)構(gòu)會(huì)引起液滴的拉普拉斯壓力梯度,，使液滴向預(yù)定的方向運(yùn)動(dòng)。研究人員可以使用各種外部策略,，包括電,、磁鐵、聲學(xué)和濕潤(rùn)的表面來(lái)驅(qū)動(dòng)它們的運(yùn)動(dòng),。其中,，磁力具有遠(yuǎn)程操作、安全,、易于控制等優(yōu)點(diǎn),。研究人員曾利用磁性粒子將水滴拖過(guò)疏水性或有圖案的表面，并穿過(guò)對(duì)磁性有反應(yīng)的材料,。

An Li等人將磁性控制系統(tǒng)中的兩顆鋼珠命名為“機(jī)器人”,，并用食品添加劑給水滴上色，以明確識(shí)別不同的驅(qū)動(dòng)模式,。這個(gè)親水的機(jī)器人很容易就能捕捉到接觸到的水滴,。研究小組轉(zhuǎn)移液滴并調(diào)整其結(jié)構(gòu)，通過(guò)減少或增加珠子之間的距離來(lái)分裂子液滴或釋放液滴,。該過(guò)程主要依賴(lài)于機(jī)器人結(jié)構(gòu),，其體積(V)影響結(jié)果。An Li等人使用珠子的中心到中心的距離(D/ D)來(lái)量化機(jī)器人的結(jié)構(gòu),。例如,機(jī)器人D/D比率為1.67可以傳輸150μL滴的水,。然而,如果滴液擴(kuò)大到350μL,它會(huì)分裂。為了理解這一點(diǎn),，他們對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械分析,，然后確定設(shè)備背后的驅(qū)動(dòng)力是珠子和液滴之間的粘附力。

在控制了空氣中的水滴后,，研究小組研究了機(jī)器人在不同的條件下,，包括不同的環(huán)境,。例如，通過(guò)克服重力和不同液滴與基質(zhì)之間的粘附力來(lái)拖動(dòng)液滴上下移動(dòng),。這種裝置在有限的空間內(nèi),，如在微流體學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)中至關(guān)重要的盒子和管道中有應(yīng)用。無(wú)損傳輸和準(zhǔn)確的試劑控制是定量化學(xué)微反應(yīng)的關(guān)鍵,，微反應(yīng)廣泛應(yīng)用于分析化學(xué),、診斷學(xué)和生物技術(shù)中。例如,，An Li等人通過(guò)可編程的液滴操控機(jī)器人，進(jìn)行了連續(xù)的酸堿中和反應(yīng),，將子液滴分裂開(kāi)來(lái),，并將其轉(zhuǎn)化為中性液滴。這些機(jī)器人提供了一種通用的方法來(lái)自動(dòng)控制液滴,，以進(jìn)行微反應(yīng),，這些試劑通常具有毒性，放射性或爆炸性,。

研究人員隨后在實(shí)驗(yàn)室中模擬生物醫(yī)學(xué)過(guò)程,，以探索機(jī)器人在體內(nèi)醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛力。他們首先模擬了在腎臟和膽囊等器官中發(fā)現(xiàn)結(jié)石或礦物質(zhì)沉積,，由于結(jié)構(gòu)限制,，無(wú)法通過(guò)手術(shù)切除，這些器官通常保持完整,。利用微型機(jī)器人,，他們將一個(gè)藥物液滴拖到模擬的結(jié)石上，以便于收集和移除結(jié)石(基于兩個(gè)表面的相容性),。在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中,，他們展示了機(jī)器人通過(guò)在積累過(guò)量膽固醇的冠狀動(dòng)脈中移除或清理血管的潛力。先是將藥物液滴輸送到模擬的斑塊中,，然后將藥物溶解,，由機(jī)器人處理。這些創(chuàng)新的方法可以在體內(nèi)醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有多種功能,。

通過(guò)這種方式,，An Li和他的同事們提出了一種簡(jiǎn)單而通用的策略，即利用由兩顆鋼珠組成的磁性驅(qū)動(dòng)機(jī)器人來(lái)操縱液滴,。他們利用磁場(chǎng)來(lái)控制液滴前后的電阻力分布,，從而控制液滴的結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了液滴的輸送,、分裂,、釋放和旋轉(zhuǎn)等多種行為,。除了操縱空氣中的水滴，該機(jī)器人還有望運(yùn)輸復(fù)雜的液體,，如油,、油中水和水中氣。鋼珠顯示出液滴在有限空間內(nèi)的可操作性,，包括有毒和放射性環(huán)境,。這項(xiàng)工作在器件制造、傳感和生物測(cè)定以及體內(nèi)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的發(fā)展?jié)摿?。該團(tuán)隊(duì)設(shè)想,，該系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化將允許在納升和皮升級(jí)別上進(jìn)行較小的液滴操作，并增強(qiáng)生物相容性,。