磁性軟體機(jī)器人已有多種應(yīng)用，特別是在與人體密切相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。如自折疊式“折紙”機(jī)器人可以在腸道中爬行、修補(bǔ)傷口、將吞下的物體取出來；膠囊狀的機(jī)器人可以沿著胃的內(nèi)表面滾動，進(jìn)行活組織檢查并運(yùn)送藥物。此外，科學(xué)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(jī)器人，它們有可能在大腦血管中穿行，以治療中風(fēng)或動脈瘤。磁性軟體機(jī)器人的進(jìn)一步小型化可能帶來新的應(yīng)用，如在最小的血管中進(jìn)行操作甚至操縱單個(gè)細(xì)胞，但制備這樣的微型機(jī)器人并非易事[1]。

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2019年11月，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Cui Jizhai（現(xiàn)任職復(fù)旦大學(xué)） 、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(jī)器人，通過對單個(gè)區(qū)域的納米磁體進(jìn)行設(shè)計(jì)，將形狀變化指令通過編程的方式輸入微型機(jī)器人，對納米磁體施加特殊的磁場序列后，實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的形狀變化，如圖一所示。

圖一 四片式變形微機(jī)械的設(shè)計(jì) 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?wèi)B(tài)。b. 頂部，四個(gè)面板微機(jī)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(yīng)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(yīng)磁滯回線。d.根據(jù)矯頑力的不同選擇兩個(gè)磁場對微機(jī)械進(jìn)行編碼的示意圖。e. 應(yīng)用控制磁場B=15 mT時(shí)的磁性結(jié)構(gòu)（I型和II型納米磁體）和微機(jī)械折疊行為示意圖，光學(xué)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）。

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這項(xiàng)工作構(gòu)建了一個(gè)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(gè)微型的“鳥”，能夠進(jìn)行復(fù)雜的行為，包括“拍打”、“懸停”、“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(yīng)復(fù)雜的情況。

圖二 折紙式的微型“鳥”與多種形狀變形模式

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文章中，作者使用了英國Durham Magneto Optics Ltd.公司的磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)-NanoMOKE3對不同型的納米磁體進(jìn)行了磁滯回線測試，同時(shí)使用該設(shè)備的電磁鐵產(chǎn)生的磁場對納米磁體陣列進(jìn)行了編程。NanoMOKE3可以進(jìn)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(yīng)的磁滯回線，如圖一c所示，為微型機(jī)器人的磁學(xué)編碼工作提供了幫助。

圖三 磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)-NanoMOKE3

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NanoMOKE3主要技術(shù)特點(diǎn)：

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(kuò)展無液氦低溫MOKE

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

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溫度范圍4.2K~350K

磁場縱向＞0.4T，極向＞0.3T

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參考文獻(xiàn)：

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

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