基于外场驱动的非平衡集体行为在微纳机器人集群中的应用研究综述
本文由Koohee Han（韩国庆北国立大学化学工程学院）与Alexey Snezhko（美国阿贡国家实验室材料科学部）合作撰写，发表于ACS Nano 2025年第19卷，系统评述了外场（电场/磁场）驱动活性胶体（active colloids）形成动态集群（collective patterns）的机制及其在微纳机器人（swarm microrobotics）领域的应用前景。
研究背景与学术意义
软体机器人（soft robotics）因材料柔顺性在环境交互中展现出优势，但微尺度下的无线供能与控制仍是挑战。受自然界群体行为（如鸟群、细菌集群）启发，集群机器人（swarm robotics）通过“自下而上”（bottom-up）的协同动力学（collective dynamics）实现任务适应性重构。其中，外场驱动的活性胶体（field-driven active colloids）成为理想平台：在电场或磁场激励下，胶体颗粒可自推进（self-propulsion）并自组织（self-organization）为动态集体结构（如涡旋、链状阵列），模拟生物集群行为。
核心观点与论据
1. 外场驱动集体行为的物理机制
- 粒子动力学分类：
- 主动运动（active particle motion）：颗粒将外部能量转化为局部梯度驱动定向运动（如磁场驱动的旋转、电场诱导的电泳）。
- 被动运动（passive particle motion）：依赖全局梯度（如电泳、热泳）形成静态组装（static self-assembly）。
- 相互作用调控：
- 磁偶极相互作用（dipolar interactions）：旋转磁场中，颗粒通过头尾吸引（θ=0°）或侧向排斥（θ=90°）形成链状或涡旋结构（图2c-e）。
- 电偶极调控：低频交流电场下，金属-介电Janus颗粒（Janus particles, JPs）通过诱导电荷电泳（induced-charge electrophoresis, ICEP）自推进；高频电场则触发自介电泳（self-dielectrophoresis, sDEP），实现运动方向反转（图6-7）。
支持证据：
- 磁场驱动涡旋形成实验中，Zhang等通过调节频率/振幅平衡磁与流体相互作用，实现纳米颗粒集群的可逆重构（图3a）。
- 电场驱动Janus颗粒的集体相变（如介观湍流、 motility-induced phase separation, MIPS）揭示了局部极性相互作用对集群稳定性的影响（图6d）。
2. 典型集群行为及其调控
- 磁场驱动系统：
- 涡旋结构：旋转磁场下，磁性微立方体（hematite cubes）自组织为手性流体（chiral fluid），表现出非牛顿流体特性（图3b）。
- 磁性滚轮（magnetic rollers）：垂直交变磁场中，铁磁颗粒通过对称性破缺产生自主滚动，形成多涡旋态（multivortical state）（图5c）。
- 电场驱动系统：
- Quincke滚轮（Quincke rollers）：直流电场下介电颗粒的自发旋转可编程为“奔跑-翻滚”（run-and-tumble）运动，实现极性液态或固态相变（图8b-c）。
- 动态重构：通过脉冲电场调节极化记忆（polarization memory），可实现集群状态（如蜂群、旋转簇）的按需切换（图8d）。
实验验证：
- Snezhko团队通过界面设计（液-气、液-液界面）调控磁性蛇（magnetic snakes）与星形结构（asters）的自组装（图13a-b）。
- 电场驱动Janus颗粒在1 MHz高频下的长程有序 flocking 行为（图7b）证实了局部梯度对集体定向的支配作用。
3. 微纳机器人集群的应用潜力
- 环境适应性：磁性微集群可通过模式切换（如链状→涡旋→带状）穿越狭窄通道或协同搬运货物（图9a-c）。
- 自修复特性：多滚轮地毯（multiroller carpets）通过流体耦合实现单晶化自修复（图10a）。
- 微流控操控：活性滚轮集群可构建定向微泵，通过相位反转控制流体输运方向（图11a-b）。
- 智能材料集成：包裹Quincke滚轮的液滴可因活性对称性破缺产生自推进（图11c）。
研究价值与创新点
- 科学价值：
- 阐明了外场参数（频率、方向、波形）对非平衡集体动力学的调控规律，为活性物质（active matter）研究提供新模型。
- 提出“极化记忆”“手性运动”等概念，拓展了集群自主行为的理论框架。
- 技术革新：
- 开发了磁场/电场协同编程方法（如xz-y方向复合磁场），实现多模态集群重构（图12a）。
- 首创脉冲电场时序控制技术，诱导Quincke滚轮形成动态方晶格（图12b）。
- 应用前景：
- 生物医学：靶向药物递送、血管疏通（如磁性涡旋集群清除血栓）。
- 环境修复：微塑料捕获（图14b）、污染物降解。
挑战与展望
- 纳米级集群：布朗运动（Brownian motion）干扰需通过增强相互作用能（>1 kT）克服。
- 自主控制：需融合传感元件与机器学习算法，实现集群的本地化决策（如肿瘤靶向）。
本文系统整合了外场驱动微纳集群的设计原则与前沿应用，为下一代自适应、可编程机器人系统奠定了理论基础与技术路径。