磁性軟體機器人已有多種應用，特別是在與人體密切相關(guān)的生物醫(yī)學領(lǐng)域。如自折疊式“折紙”機器人可以在腸道中爬行、修補傷口、將吞下的物體取出來；膠囊狀的機器人可以沿著胃的內(nèi)表面滾動，進行活組織檢查并運送藥物。此外，科學家們還研制出了尺寸從幾百微米到幾厘米不等的更薄的線型機器人，它們有可能在大腦血管中穿行，以治療中風或動脈瘤。磁性軟體機器人的進一步小型化可能帶來新的應用，如在最小的血管中進行操作甚至操縱單個細胞，但制備這樣的微型機器人并非易事[1]。

?

2019年11月，瑞士聯(lián)邦理工學院的Cui Jizhai（現(xiàn)任職復旦大學） 、Huang Tian-Yun 及其同事在Nature發(fā)表了名為“Nanomagnetic encoding of shape-morphing micromachines”的文章[2]，該工作使用電子束光刻技術(shù)，制造出了只有幾微米大小的可磁重組機器人，通過對單個區(qū)域的納米磁體進行設(shè)計，將形狀變化指令通過編程的方式輸入微型機器人，對納米磁體施加特殊的磁場序列后，實現(xiàn)微型機器人的形狀變化，如圖一所示。

圖一 四片式變形微機械的設(shè)計 a.磁體磁態(tài)隨尺寸增大的示意圖：i.超順磁性；ii.室溫下穩(wěn)定的單疇；iii.多疇態(tài)。b. 頂部，四個面板微機械，面板I上有520 nm×60 nm（I型）納米磁體陣列，面板II上有398 nm×80 nm（II型）納米磁體陣列；底部，納米磁體陣列的相應SEM圖像。c. 體積相同但長寬比不同的單疇納米磁體的磁光克爾效應磁滯回線。d.根據(jù)矯頑力的不同選擇兩個磁場對微機械進行編碼的示意圖。e. 應用控制磁場B=15 mT時的磁性結(jié)構(gòu)（I型和II型納米磁體）和微機械折疊行為示意圖，光學顯微鏡圖像顯示了所制造器件的四種不同結(jié)構(gòu)。從左到右，上/下折疊的面板數(shù)為4/0、3/1、2/2（折疊方向不同的對面面板）和2/2（折疊方向相同的對面面板）。

?

這項工作構(gòu)建了一個模塊化單元的集合，這些模塊化單元可以編程為字母表中的字母，此外還構(gòu)建了一個微型的“鳥”，能夠進行復雜的行為，包括“拍打”、“懸?！?、“轉(zhuǎn)彎”和“側(cè)滑”，如圖二所示。這為創(chuàng)造未來的智能微系統(tǒng)建立了一條路線，這些智能微系統(tǒng)可以重新配置和原位重新編程，可以適應復雜的情況。

圖二 折紙式的微型“鳥”與多種形狀變形模式

?

文章中，作者使用了英國Durham Magneto Optics Ltd.公司的磁光克爾效應系統(tǒng)-NanoMOKE3對不同型的納米磁體進行了磁滯回線測試，同時使用該設(shè)備的電磁鐵產(chǎn)生的磁場對納米磁體陣列進行了編程。NanoMOKE3可以進行微區(qū)的超高靈敏度測試，在本工作中，作者通過激光聚焦在不同的納米磁體上獲得對應的磁滯回線，如圖一c所示，為微型機器人的磁學編碼工作提供了幫助。

圖三 磁光克爾效應系統(tǒng)-NanoMOKE3

?

NanoMOKE3主要技術(shù)特點：

超高靈敏度~10-12emu

微區(qū)磁滯回線，激光光斑~2μm

超快測試速度，1秒內(nèi)可獲得磁滯回線

克爾角檢測＜0.5 mdeg

縱向/橫向/極向克爾

磁疇成像

擴展無液氦低溫MOKE

圖四 與Montana S50超精細多功能無液氦低溫光學恒溫器聯(lián)用的低溫MOKE

?

溫度范圍4.2K~350K

磁場縱向＞0.4T，極向＞0.3T

?

參考文獻：

[1] X H,zhao. et al. Nature 575, 58-59 (2019)

[2] Cui, J. et al. Nature 575, 164–168 (2019).