Nature Materials: 膠體機(jī)器人，小小身體卻無窮潛力

機(jī)器人有組件一起工作來完成一項(xiàng)任務(wù)。膠體是顆粒，通常小于100微米，小到不會從溶液中沉淀出來。膠體機(jī)器人是能夠具有感應(yīng)、計(jì)算、通信、運(yùn)動和能量管理等功能的粒子，這些功能都由粒子本身控制。他們的設(shè)計(jì)和合成是借鑒材料科學(xué)、膠體科學(xué)、自組裝、機(jī)器人物理學(xué)和控制理論的跨學(xué)科研究的新興領(lǐng)域。許多膠體機(jī)器人系統(tǒng)自主地接近生物細(xì)胞的合成版本，并可能發(fā)現(xiàn)將這些專門功能帶到以前無法訪問的位置的最終效用。本視角研究了新興文獻(xiàn)，并強(qiáng)調(diào)了實(shí)現(xiàn)膠體機(jī)器人的某些設(shè)計(jì)原則和策略。

膠體機(jī)器人（CR）是自主顆粒機(jī)器，在膠體條件下采用“感覺-計(jì)劃-行動”范式，目標(biāo)是將微觀機(jī)器人系統(tǒng)部署到新環(huán)境中。這種環(huán)境中的自主性被定義為機(jī)器在沒有外部驅(qū)動和監(jiān)督的情況下做出決策（或“計(jì)算”）的能力。此類計(jì)算可以通過以下方式進(jìn)行：

（1）用于信息輸入的傳感器

（2）用于邏輯計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲的中央處理單元

（3）用于信息傳輸?shù)耐ㄐ磐ǖ?

（4）驅(qū)動和運(yùn)動模式和/或

（5）車載能量收集和/或存儲單元以模塊化方式集成到膠體微顆粒中。

隨著機(jī)器人設(shè)備縮小到亞毫米尺寸，它們開始承擔(dān)膠體系統(tǒng)的行為。典型的膠體現(xiàn)象，如布朗運(yùn)動、聚集和沉積，可以被視為需要克服的挑戰(zhàn)性障礙，或使CR設(shè)計(jì)的特征得以利用。它們體積小，很容易分散。首先，它們的熱能會導(dǎo)致位置和方向上的大量位移，導(dǎo)致以線性和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散系數(shù)為特征的隨機(jī)漫步（布朗運(yùn)動）。因此，CR的位置和方向可能會快速和不可預(yù)測地變化，如果布朗運(yùn)動與其推進(jìn)速度相稱，這對從A點(diǎn)到B點(diǎn)的機(jī)器人構(gòu)成了挑戰(zhàn)。另一方面，這意味著足夠小的CR將擴(kuò)散，僅使用環(huán)境熱能（例如，監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)堆中的條件）通過介質(zhì)自由擴(kuò)散。

導(dǎo)致CR分散性的第二個關(guān)鍵因素是其表面積與體積比相對較高，這導(dǎo)致與引力反部分相比阻力強(qiáng)，最終導(dǎo)致膠體顆粒的沉降速度緩慢。在這種情況下，“緩慢”取決于上下文：類似的沉降速度可能意味著CRs在游泳池中懸浮數(shù)天，但在幾秒鐘內(nèi)從血管中沉積出來。了解CR沉降行為不僅在水環(huán)境中很重要，而且在空氣中，對于可氣溶膠電子系統(tǒng)。