仿生趋光性微纳米马达集群的构建与对货物的协作搬运

Analogous to biological swarms, artificial micro/nanomotor swarms are expected to exhibit complex collective behaviors and cooperative functions that single motor does not possess. Considering the poor controllability of the reported micro/nanomotor swarms in velocity, direction and trajectory which severely prohibit their application, this project proposes light-controlled micro/nanomotor swarms by designing and engineering the diffusiophoresis attraction forces among micro/nanomotors, which show controlled motion speed, direction and trajectory by manipulating external light field, and explores the principles and strategies for the cooperative transportation of the light-controlled micro/nanomotor swarms towards different cargoes with different scales. This project aims at probing swarming mechanisms and control strategies, global light navigation and self-adaptive behaviors of the micro/nanomotors in local unknown or dynamic environments, and the influence of swarm structure parameters on the interactions and cooperative transport of different cargoes. The results of this project will provide theoretical guidance on the design and construction of next-generation intelligent micro/nanomotor swarms, and promote their practical applications in drug delivery, microsurgery, micro space mapping, reconfigurable micro/nanorobots and micro/nanoengineering.

类似于生物集群，微纳米马达集群可表现出单个个体不具备的复杂群体行为和协同功能。本项目针对现有微纳米马达集群的集体运动速度、方向和轨迹不能实时按需控制，妨碍应用的瓶颈问题，提出以光控微纳米马达为基元，通过构建它们之间的交互作用机制，研制集体运动速率、方向和轨迹均可控的趋光性微纳米马达集群，并探索它们对不同种类和尺度货物的协作搬运原理和策略。阐明趋光性微纳米马达集群的构建方法和结构调控策略，全局光导航技术和在局部未知或动态环境下的自适应行为，以及结构参数对不同种类和尺度货物相互作用形式和对协作搬运功能的影响规律。研制出具备可光控编程的运动行为和仿生协作搬运多尺度货物能力的微纳米马达集群。本项目的研究成果将为发展新一代智能马达集群和系统提供设计原理与构建方法，并为推动它们在药物输送、微手术、微空间探测、可重构微纳米机器和微纳米操控与加工方面的实际应用奠定基础。

微纳米马达集群具有良好的容错性、冗余性和自适应性，因而可以预期它们能够展现出个体微纳米马达不具备的协同功能。然而，目前微纳米马达集群的运动难以实时按需控制，阻碍了其应用开发。为此，本项目提出以光控微纳米马达为基元，通过构建它们之间的相互作用，发展具有整体光控定向运动行为和可控运动速率和轨迹的趋光性微纳米马达集群，并探讨它们对对不同尺度和种类货物的协作搬运原理和策略。重点研究了趋光性微纳米马达集群的构建原理和方法、集群运动控制机制和策略，以及对货物的仿生协作搬运原理和方法。通过本项目的执行，建立了光控微纳米马达间基于自扩散泳、磁和电动流等的相互作用和多模式调控方法，发展了单/多层级光控微纳米马达集群的构建和集群构形调控策略；阐明了光控微纳米马达间的相互作用机制与协作机制；研制出了一系列具有趋光运动行为的微纳米马达集群，实现了它们对不同种类和数量的大型货物的仿生协作搬运。此外，为进一步提高微纳米马达的智能化水平，我们还建立了微纳米马达间的水动力学通讯模型，发展了多种可根据环境变化自适应改变运动行为的智能微纳米马达。本项目的研究成果将为发展新一代智能马达集群和系统提供设计原理与构建方法，并为推动它们在药物输送、微手术、微空间探测和微操控方面的实际应用奠定基础。