液滴操縱在各種實際應用中都至關重要，特別是在生物醫學、化學反應、熱調節、水收集和微電子等領域。磁、電、光和超聲波等各種外加物理場都可用于提高液滴操控的靈活性和精確度。在已有的研究中，液滴機器人在運輸、合并、分散、捕獲和分類等任務中的能力得到了驗證。液滴機器人的流動性和極端變形能力也為微型軟體機器人的生物醫學應用提供了巨大的可能性，例如進入人體中難以到達的狹窄腔道。
為了解決傳統軟體機器人（尤其是基于磁性彈性體的軟機器人）的變形局限性，最近的研究集中于具有極端變形能力的液滴機器人，例如液態金屬機器人和磁流體機器人?；诖帕黧w的液滴機器人具有出色的變形能力，并且可以在磁場控制下分裂和融合，從而提高靈活性和可擴展性。然而，當前的研究主要集中在二維平面內單個液滴的變形和操控。這種二維平面內的操縱方式不僅限制了液滴的潛在應用場景，也限制了基于液滴的微型軟機器人的功能和操作能力。實現液滴的三維操控和主動變形是該領域的一項關鍵挑戰。此外，對多個液滴之間的相互作用及其自組織行為的研究有限，特別是關于多個液滴集合的原位操縱和重構。
近期，德國馬克斯普朗克智能系統研究所Metin Sitti教授和香港中文大學張立教授團隊提出了一種雙模態驅動策略，用于遠程和可編程地三維引導單個和集群鐵磁流體液滴。通過結合磁場和光場，這種方法可以控制液滴的三維運動和形變。磁場產生的磁偶極力促使液滴形成集體，而光場對磁流體液滴產生加熱作用從而增強浮力，同時通過Marangoni流動觸發界面張力的等溫變化，促進液滴在三維空間中的運動。此外，這些液滴可以作為軟機器人自主運行，能夠運輸物體。或者，當與水凝膠外殼結合時，它們會組裝成由陽光驅動的水母狀機器人。本研究突破了現有液滴控制方法主要局限于二維變形和運動的瓶頸，實現了液滴機器人在三維空間中的操控。這種雙模態驅動策略不僅可以單獨控制液滴，還可以操控多個液滴的集群行為，擴展了液滴在微型機器人領域的應用范圍。特別是，通過結合磁場和光場，實現了液滴更加復雜的運動模式和集群行為，為微型軟機器人在復雜環境中的應用提供了新的可能性。
該工作近期以“Individual and collective manipulation of multifunctional bimodal droplets in three dimensions”為題發表在Science Advances上。馬克斯普朗克智能系統研究所博士后孫猛猛, 香港中文大學博士生孫伯男, 馬克斯普朗克智能系統研究所MYUNGJIN PARK為共同第一作者，馬克斯普朗克智能系統研究所Metin Sitti教授和香港中文大學張立教授為共同通訊作者。
后記
該工作是孫猛猛博士近期關于磁驅動微型機器人相關研究的最新進展之一。近年來，孫猛猛博士利用鐵磁流體創建了一系列磁驅動微型機器人，實現了毫米尺度軟體機器人磁編程控制和微米尺度機器人群體調控。（Nat. Commun., 2022, 13(1); Adv. Mater., 2023, 2300521; Sci. Adv., 2023, 9(45): eadj4201）。
示意圖和實驗結果顯示了雙模態驅動液滴的單體運動和群體組裝行為。A. 雙模態驅動液滴通過耦合磁場和光場進行三維運動和選擇性控制。光場為液滴提供向上的浮力，磁場提供磁偶極力。因此，單個液滴可以像“Flappy Bird”一樣穿越復雜的三維地形，多個液滴可以組裝成金字塔結構并保持懸?；蚺c水凝膠模塊一起作為水母機器人。B. 實驗結構顯示液滴可以穿越復雜的地形，或自組裝成液滴聚集體然后保持懸浮狀態，或與水凝膠殼組裝成在陽光下自由移動的水母狀機器人。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp1439
