清华校友提出新型滚动运动方式，无需依赖真实物理的边界，能实现微粒子群的高效运输

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 Commun 13, 7347 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35078-8

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