如果現在要設計一個超小機器人，可以在人體的體液(血液，關節滑液囊，眼球液)內遊走，做些事情。那麼，這個小機器裝置，該怎麼設計呢?首先，我們會想到動力問題，再來是這個裝置的結構和功能。因為體積要非常小，要找到零件來組裝是幾乎不可能的，所以設計越簡單越好。當然，更不要說要有電池了。這種狀況下，這個小機器人要怎麼控制它的方向呢? 要它前進後退，該怎麼設計呢?
因為小,一定要超簡單設計
設計要簡單，我們可以假設就是簡單的張開閉合，這種運動。就像貝類這樣。大部分人可能吃過貝類，但沒看過貝類游泳。不過，有沒有想過類似貝類或者一些纖毛甚或是鞭毛運動的微生物，在充滿液體的環境，是怎麼移動的呢?其實它們的移動，就是靠不同的運動模式，在過程中對環境介質給予一個推力，造成一個反作用力。例如說貝類在水中移動，兩片殼慢慢張開再快速關起來。在兩片殼關起來的時候，會把液體擠出貝殼，利用這個噴水的動量，推動自己前進。物理告訴我們，在水中，如果只是張合運動，沒有給環境一個推力，物體只會在原地前後運動。水的黏滯性，不會因為作用的剪切力而改變。這種液體稱作牛頓流體(Newtonian Fluid)。但是，生物體的體液，屬於非牛頓流體(Non-Newtonian Fluid)，也就是它們的黏性會隨著擾動液體的剪切力而改變。在這種狀況，張合運動有沒有可能讓物體前進呢?
生物體液和水的不同特性
例如說，如果用杯子裝著血液(血液是剪切減黏流體，shear thinning)，用攪拌棒慢速攪拌的黏稠力會比快速攪拌時來得大。反之，也有一些液體的特性恰恰相反，當攪拌力越大，黏性越強(剪切增黏流體，shear thickening)。
微米機器人的結構
在賓士轎車與保時捷跑車的故鄉, 德國斯圖加特的一流研究機構–馬克斯-普朗克智慧系統研究所的科學家，就非牛頓流體(水屬於牛頓流體)的特性，設計了一款寬度只有300微米(μm)的超小機器人。這樣小的裝置，研究團隊利用了3D列印和微模成型技術來製作。這個裝置正是像貝殼般的裝置，左右兩片類似貝殼的設計，中間有一個連結的結構。在兩片貝殼的末端，裝有磁鐵。磁鐵的N極朝向貝殼的內側，S極朝向外側。這樣小的結構在液體中，可以利用外加的電場，來控制這兩片貝殼的開合。當然，利用電場增加和降低的速度，開合速度也可以控制。初始狀態，貝殼是張開的，這時候施加電場，讓貝殼快速關起來，再把電場釋放，貝殼會慢慢回復原型，也就是張開。這個張開的速度，就依據電場釋放的速度而不同。
利用生物體液的特性,讓機器人前進
以剪切增黏的液體為例，如果貝殼關起的速度很快，這時候貝殼內側的液體黏性超大，而外側週圍和前端則相對小，所以貝殼有一個前進的力；當貝殼慢慢張開，這時背殼內外的黏性都相對小。也就是貝殼快速關起來時前進的距離，大於慢慢張開時後退的距離。反覆的作用之後，就有個真實的移動。這好比是貝殼在快速合起來的時候，因為內側液體黏性增加，如同夾到一個硬物，合力使貝殼往前端推進。
這項裝置的設計和驗證，都相當有意思。特別是針對生物的體液特性來做設計。未來的應用，還有待開發。
文章參考：IEEE Spectrum
影片來源：IEEE Spectrum
圖片來源：IEEE Spectrum(Image:Alejandro Posada/MPI-IS)；kennymatic CC BY 2.0
原文刊載：Nature Communications
