磁活性流體或鐵流體在外部磁場(chǎng)作用下可以改變其形狀和粘度。它可以在較高濃度的磁性粒子中獲得高的磁驅(qū)動(dòng)力。由于其獨(dú)特的性能，鐵流體在眾多領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。當(dāng)鐵流體的載體液體和環(huán)境液體不相容時(shí)，前者因其高度的自聚性并不會(huì)在小體積中迅速分散。這一特性可以有效地防止磁性納米粒子擴(kuò)散過(guò)快。同時(shí)，基于其流體特性，鐵流體具有較高的可變形性，并能通過(guò)狹窄的通道和障礙物。此外，鐵流體在磁場(chǎng)中也具有高輸出力。然而控制鐵流體機(jī)器人在三維空間的運(yùn)動(dòng)，并使用機(jī)器人進(jìn)行藥物輸送仍有待研究。

近日，北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院仿生與微納研究所馮林副教授等研發(fā)了一種四線圈梯度磁場(chǎng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)磁流體微型機(jī)器人在三維空間中的運(yùn)動(dòng)控制。同時(shí)，使用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S140，摩方精密），研究團(tuán)隊(duì)依據(jù)在藥物遞送的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中可能出現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)并打印相關(guān)模型，并對(duì)磁流體微型機(jī)器人在藥物遞送相關(guān)領(lǐng)域的性質(zhì)和優(yōu)勢(shì)展開(kāi)了進(jìn)一步的研究。相關(guān)成果以“Deformable Ferrofluid Microrobot with Omnidirectional Self-adaptive Mobility”為題發(fā)表在《Journal of Applied Physics》期刊上。

圖一 由電磁線圈系統(tǒng)控制在血管模型中移動(dòng)的鐵流體機(jī)器人的概念圖及系統(tǒng)圖。

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)際測(cè)量，該系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度可以達(dá)到4.14T/m，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁流體機(jī)器人的三維控制，最大的控制誤差不超過(guò)0.3mm。最后，線圈系統(tǒng)控制鐵流體液滴在最大內(nèi)徑為3毫米的三維血管模型中實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。控制效果的實(shí)現(xiàn)使得鐵流體機(jī)器人在通過(guò)血管導(dǎo)航進(jìn)行藥物輸送方面具有技術(shù)潛力。

圖二 (a) 磁流體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的示意圖。(b)不同時(shí)刻的磁流體機(jī)器人的位置和狀態(tài)。比例尺：5毫米。（復(fù)雜環(huán)境尺寸特征：長(zhǎng)38mm寬22mm高5mm，其中折線和曲線通道直徑為1.5mm，左下角圓柱陣列援助直徑0.5mm，間距0.5mm。）

通過(guò)對(duì)磁流體機(jī)器人的變形能力的研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人可以通過(guò)比其直徑小四倍的縫隙（圖二）。同時(shí) ，基于有限元模擬，磁流體機(jī)器人的變形可以使流場(chǎng)中的阻力減少43.75%，這使得磁流體機(jī)器人在人體血管高流速環(huán)境中運(yùn)動(dòng)成為可能。此外，利用3D打印的血管模型，對(duì)磁控系統(tǒng)控制微型機(jī)器人在三維血環(huán)境中運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行了驗(yàn)證（圖三）。

圖三  (a) 血管模型中磁流體運(yùn)動(dòng)的控制示意圖。(b)三維血管模型中不同時(shí)刻鐵流體機(jī)器人的真實(shí)位置和狀態(tài)。比例尺：5毫米。

該項(xiàng)研究成果獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2019YFB1309700)及北京新星科技計(jì)劃項(xiàng)目(No. Z191100001119003)支持。在醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是面對(duì)細(xì)小的血管或者身體器官之中，使用這種先進(jìn)的醫(yī)療方式可以有效的解決很多醫(yī)療上的問(wèn)題，并且為患者節(jié)省寶貴的治療時(shí)間和花費(fèi)。