40、化学燃料驱动的聚合物基游泳纳米机器人

化学燃料驱动的聚合物基游泳纳米机器人

1. 引言

在宏观世界中，通过输入化学燃料并将其转化为机械功的化学动力驱动方式被广泛应用，从车辆到航天器都有所涉及。1959 年，物理学家理查德·费曼设想了微纳机器时代的到来，即设计和制造能够执行多种复杂操作的微纳尺度设备。这一奇妙的想法激励着科学家们去探索开发能够游向人体先前难以到达位置的微纳尺度机器人。如今，纳米技术的发展让这一幻想逐渐成为现实，同时也为生物医学等领域带来了新的机遇，但也面临着诸多挑战。

1.1 微纳世界中推进的挑战

在流体中推进时，机器人会遇到惯性力和粘性力这两种主要的力。惯性力与粘性力的比值用雷诺数（Re）表示，公式为 Re = ρUL/μ，其中 ρ 是流体密度，U 是特征速度，L 是特征长度，μ 是流体的动态粘度。像鱼类、人类和船只等宏观物体在流体中的运动属于中到大雷诺数情况，此时惯性力占主导地位。然而，纳米尺度的合成游泳机器人、自然运动的微生物和生物马达在低雷诺数的流体中推进。例如，一个尺寸约为 1μm、游泳速度约为 10μm s⁻¹ 的游泳微机器人在水中的雷诺数约为 10⁻⁵，此时惯性的影响几乎可以忽略不计，这使得宏观尺度上基于惯性的推进机制在微观世界中大多失效。

低雷诺数下惯性的缺失带来了严格的限制，这可以用珀塞尔的扇贝定理来解释。在低雷诺数推进的情况下，由于运动学的可逆性，扇贝定理排除了往复运动，当一个“扇贝”微结构周期性地开合其外壳时，无论开合速度如何，在牛顿流体中的推进效果都很差，位移很小。因此，惯性的缺失给微观尺度下有效推进策略的发展带来了根本性的挑战。

1.2 来自自然纳米游泳者的启示

面对微纳尺度世界中推进的挑战，自然界为研究人员提