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在 BBC 纪录片《绿色星球》里,我们发现植物也会使用“骗术”。以“欺骗”蜣螂的银白镊被灯草为例,每到秋天银白镊被灯草顶端成熟的种子,就会被风吹到地面。
图 | 蜣螂滚动银白镊被灯草种子(来源:见水印)有趣的是,这种植物种子不仅在颜色和形状上跟羚羊粪蛋相似,就连气味都是惊人地接近。长得像粪蛋的银白镊被灯草种子,会让蜣螂误以为是羚羊粪蛋,进而像平时一样,去推动这些真实的种子,最终帮助银白镊被灯草的种子实现更远距离的播种。
这场“骗术”里涉及到一种常见的物理运动——滚动。 滚动,是一种普遍存在的运输方式,它能发生于多个尺度里,也广泛存在于生物体和工程系统中。除了银白镊被灯草之外,自然界里的风滚草、蹼趾蝾螈和金轮蜘蛛,都利用滚动来传播种子或躲避捕食者;吸血变形虫和中性粒细胞,则以滚动方式沿着细胞或血管壁前行;滚动也常用于工程系统,比如火车、汽车和轮式机器人等。作为一种行之有效的运输机制,滚动也逐渐被用于导航和操纵微/纳米尺度的器件。 来自安徽亳州的张志远,接触工程研究已经 7 年有余。其本硕先后就读于合工大和清华,分别学习自动化和控制工程。目前,他在瑞士苏黎世联邦理工学院读博,主攻方向为超声驱动。 近日,他和所在团队提出一种新型滚动运动方式。核心特点在于,无需依赖真实物理的边界即可自行滚动。 图 | 张志远(来源:张志远) 近年来,通过滚动推进的自组装微链群,受到了学界的关注。它们无需特殊的预制元件,并且具备灵活的运动性,可以提供更多的自由度。 然而,当把旋转运动转为滚动运动时,此前的策略主要依赖于物理边界,来引入空间不对称的流体动力学,从而转变运动形式。 无论是光滑的、还是有纹理的表面地形,这些滚动策略对于边界都存在较强的依赖性,从而会限制微链的机动性。 基于此,张志远等人研发了这种基于声磁组合场的新策略。在没有真实物理墙壁的情况下,可以让微链沿着虚拟墙滚动。 事实上,基于化学梯度、细菌动力、电场、光能和热能等角度,人们也曾针对微链群开发过各种运动策略。 而张志远提出的滚动运动方式,是一种使用磁场和声场的运动策略,能在不接触物体的情况下操纵微型物体。同时,不会受到物体透明度的影响,并能产生较大的作用力。 声场和磁场的另一优势在于,可以很容易地延伸到体内。因此,沿着虚拟墙壁的滚动,可被用于一些医学场景。 众所周知,人体体内的构造多数是不平坦的、布满褶皱的,充斥着断断续续的支流。而此次开发的微链,有望在没有壁的空间里例如胃、腹膜腔和膀胱中,开展相应的医学应用。 能实现微链群的高效运输张志远表示,传统微链必须被动地跟随真实的物理边界,以打破其运动对称性,进而实现滚动。如前所述, 借助他本次开发的策略,则能让微链直接沿着远离真实物理边界的虚拟墙进行滚动。其中,旋转磁场的存在,会让单个粒子发生自组装和旋转;而声波驻波场的压力节点线,则可以充当虚拟墙。 在声辐射力的作用下,微链会被推向虚拟墙,从而打破微链运动的对称性,进而诱导微链滚动。这时,借助可重构声学虚拟墙的概念,就能克服常见滚动运动中,需要依赖物理边界的限制。 图 | 微链沿着声学虚拟墙滚动(来源:Nature Communications) 在张志远的策略中,当把声驻波场注入微链之后,声辐射力就会吸引微链,并将它们推到压力节点线。其中,压力节点线起着充当虚拟墙的作用。 而给微链引入旋转轴时,并让其垂直于声驻波场的旋转磁场时,由于磁偶极-偶极的相互作用、以及感应磁矩的作用,相邻的磁性粒子会自动组装成多个微链,并开始进行旋转。 这时,旋转微链里产生的时变声辐射力,就会打破微链的运动对称性,从而引起滚动。 为证明这一策略的有效性,针对多个微链在开放声室、沿一维声学虚拟墙的双向滚动,张志远进行了测试。 结果显示:在横向一维的声驻波场、以及顺时针旋转磁场中,微链从左向右滚动;当翻转磁场的旋转方向,微链立即执行从右向左的滚动;当停止磁场的旋转,滚动的微链会瞬间停止运动;而当将声驻波场的方向切换为纵向,微链会沿垂直方向上下滚动。 图 | 微链沿一维声学虚拟墙双向滚动(来源:Nature Communications) 为更好地理解这种滚动运动,在没有驻波场和有声驻波场的旋转磁场中,他分别研究了微链的行为。 结果表明,当没有任何声波场的时候,一旦启动旋转磁场,多数微链就会围绕几何中心进行旋转。 尽管一些微链的旋转中心,会出现偏离几何中心的现象。不过,微链本身并没有表现出净位移。最终,微链的旋转轮廓类似于一个圆形,这说明其运动对称性并未被打破。 相比之下,在一维声驻波场下,微链不仅会偏离几何中心、进而开始旋转,还会产生净位移。也就是说,仅仅通过旋转磁场,并不能打破时间可逆性,进而去诱导微链的滚动。 接着,在声磁组合场中,对于以 12 转/秒的恒速旋转的单个微链,张志远做了一些分析。结果发现,对于微链的净位移,声辐射力起着至关重要的作用。 为此,他和同事开发一款理论模型,当滚动微链沿着声学虚拟墙进行净位移时,该模型可以捕捉这一运动。 借助这一模型他们发现,在没有旋转磁场的情况下,微链的旋转角速度为零,而且不会发生滚动。 同样,在没有声驻波场、但是存在旋转磁场的情况下,偏心距离会在时间上保持恒定,同时并不会生成滚动运动。因此,只有一并施加旋转磁场和声驻波场时,微链才会发生滚动运动。 图 | 微链沿着声学虚拟墙滚动机制分析(来源:Nature Communications) 最后,通过构建声学虚拟墙、以及构建可切换磁场的旋转方向,在远离真实表面的情况下,张志远发现沿着任意轨迹都可以操纵微链。 研究中,他让微链沿着声学虚拟墙的滚动轨迹,组成了字母“ETH”。这一演示证实:在实现微链群的高效运输上,本次策略具备较好的潜力。 图 | 二维平面上微链的动态滚动(来源:Nature Communications) 近日,相关论文以《沿着声学虚拟墙滚动的微链》()为题发在 Nature Communications上。 图 | 相关论文(来源:Nature Communications) 张志远是第一作者,苏黎世联邦理工学院工学院教授丹尼尔·艾哈迈德()担任通讯作者。 图 | 教授(来源:资料图) 将实现更灵活的声学虚拟墙调制据介绍在研究初期,张志远定下的目标是进一步理解导师 教授此前提出的滚动运动成果。 他说:“之前导师的成果,受到了超声和磁场的中性粒细胞的启发。在旋转磁场中,磁性粒子能够自发地组装成圆盘,这些圆盘随后会被声行波推到物理墙壁附近。由于边界的非对称性,粒子圆盘的旋转运动会转化为滚动运动。” 在本次工作中,张志远并未采用非声行波场,而是借助声驻波场来操纵微链,结果发现在不靠近真实的物理墙壁时,粒子也会出现运动的行为。 考虑到电磁场的复杂性,同时实验设备也比较笨重,他便想到利用永磁铁,来设计简便的磁操作系统。 这款磁操纵系统包括:一个五轴机械臂、以及一个位于声室周围的磁性末端执行器。末端执行器由一个马蹄形夹持器组成,夹持器的侧臂上有一对永磁体,可用于建立均匀的磁场。 当机械臂旋转时,永磁体会围绕声室进行旋转,这时就能在水平面内产生旋转磁场。在验证阶段,张志远等人设计了多种变参数实验,以便刻画微链的滚动性质。同时,也透过对比实验来证明微链滚动的机制。 期间,他需要调试和校正机械臂的位置和姿态,从而保持实验环境的相同性。此外,还得不断提高操作的熟练度,以便让粒子按照预设轨迹,进行顺利、流畅的滚动。 接下来则是模型讨论阶段,张志远表示:“我们力求理论模型可以充分揭示微链滚动运动机制,并能对滚动运动提出普适性见解。最终,这款理论模型简洁、准确、易懂,为理解和分析微链滚动提供了重要依据。” 日后, 张志远和所在团队将继续研究声磁组合场的耦合效应,同时也将实现更灵活的声学虚拟墙调制,以及在三维空间内实现微链群的滚动。另据悉,博士毕业之后他将寻找美国高校的博后岗位,随后打算回国找工作。参考资料:
1.Zhang, Z., Sukhov, A., Harting, J. et al. Rolling microswarms along acoustic virtual walls. Nat Commun13, 7347 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35078-8
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