[论文解读] Stirrers and movers actuated by oscillating fields

Gabi Steinbach, Michael Schreiber+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2016

Micro and Nano Robotics参考文献 54被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的驱动策略，通过利用具有偏移偶极矩的自组装磁性Janus粒子簇内部的磁相互作用，在振荡磁场下实现结构不变微粒子的定向运动。关键贡献在于通过偶极-偶极相互作用打破时间反演对称性，从而在无需形状形变的情况下实现运动，实验上展示了可操控的推进器和搅拌器，其运动轨迹为螺旋形或直线形。

ABSTRACT

Locomotion via cyclic moves presents a challenge to mesoscopic objects in overdamped environments, where time reversibility may prevent directed motion. Most reported cyclic movers exploit anisotropic drag to push themselves forward. Under an oscillating drive, however, anisotropic drag enables locomotion only if the objects can change their shape. Here, we present a strategy that unexpectedly enables structurally invariant objects to move under oscillating fields. The objects are self-assembled clusters of magnetic particles that exhibit an off-centered dipole moment. By theoretical modeling and in experiments with magnetic Janus particles, we demonstrate that the interaction between such anisotropic particles in the cluster breaks time reversibility. Experimentally, we show that the magnetic configuration of a cluster determines its motion path. We realize stirrers and steerable movers with helical or directed path using the same particle system. The presented strategy based on internal interactions establishes a counterpart to locomotion via anisotropic drag.

研究动机与目标

• 解决在低雷诺数下过阻尼、时间可逆环境中实现定向运动的挑战。
• 克服传统周期性推进器依赖形状形变或各向异性阻力以实现净运动的局限性。
• 证明在结构不变的簇中，内部磁相互作用可打破时间反演对称性并实现净平动。
• 开发并验证一种利用振荡场驱动微粒子的方法，无需依赖流体耦合或结构柔性。
• 通过磁性簇构型控制，实现可调谐运动轨迹（如螺旋形或定向轨迹）

提出的方法

• 对具有径向偏移磁偶极矩的偏移偶极粒子（sd-粒子）进行理论建模，分析在振荡场下所受的力矩与力的相互作用。
• 使用自洽迭代方法对耦合转动动力学进行数值模拟，求解运动方程：$ f_{\rm{r}}\dot{\Theta} = \mathbf{m}\times\mathbf{B}^{\rm{p}} + \xi\hat{\mathbf{m}}\times((\mathbf{m}\cdot\nabla)\mathbf{B}^{\rm{p}}) + \mathbf{m}\times\mathbf{B}^{\rm{z}} $。
• 采用无量纲时间步长和转动阻尼系数 $ f_{\rm{r}} = 100\,\frac{\mu_0 m^2}{32\pi r_{\rm{p}}^3} $ 模拟角动量动力学。
• 实验系统采用2.27 μm的二氧化硅微球，表面涂覆磁性Co/Pd多层膜，形成具有垂直各向异性和净偶极矩的磁性Janus粒子。
• 利用光学显微镜和基于自定义霍夫变换的图像分析方法，在施加振荡场和定向磁场的条件下，追踪二维中粒子簇的运动。
• 通过调节磁性构型控制簇的运动，实现螺旋形与定向轨迹之间的路径选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 在结构不变的微粒子中，尽管存在时间可逆性约束，是否仍可在振荡场下实现定向运动？
• RQ2 内部磁偶极-偶极相互作用如何在自组装簇中打破时间反演对称性？
• RQ3 同一粒子系统是否可同时产生类似搅拌器和可操控推进器的运动轨迹？
• RQ4 偏移偶极矩在振荡场下实现非互易运动中起什么作用？
• RQ5 在相同外部场条件下，簇的磁性构型如何决定其运动轨迹？

主要发现

• 理论建模证实，在偏移偶极粒子簇中，振荡场下的偶极-偶极相互作用可打破时间反演对称性，从而在无需形状改变的情况下实现净平动。
• 实验观察证实，磁性Janus粒子簇在振荡场下表现出定向运动，其运动轨迹取决于内部磁性构型。
• 通过控制簇的磁性对齐方式，实验上实现了螺旋形和直线形运动轨迹，且使用的是同一粒子系统。
• 运动由磁相互作用产生的内力矩驱动，而非流体耦合或结构形变。
• 采用无量纲参数的自洽迭代方法对旋转动力学进行建模，结果准确。
• 该系统展示了一种新型驱动机制，可与传统的基于各向异性阻力的运动方式互补，拓展了人工微马达的设计空间。