微纳马达是基于活性颗粒发展起来的新兴技术，有力推动了生物医学诊疗/给药、微纳机器人等领域的发展，对Feynman的论述“There is plenty of room at the bottom”给予了新的诠释。微纳马达从溶液环境或是磁、光、声、热、电等外场获取能力实现自发运动，解决了微纳机器人的运动问题；而提升微纳马达功能、实现可靠便捷的操控，是对接应用需求、向微纳机器人发展过程中必须解决的问题。近来，力学所非线性力学国家重点实验室微纳米流体力学团队发展了具有特色的磁导航气泡微机器人，并基于此实现了对胚胎等生物微颗粒亚纳克(10^-10 g)精度的质量/密度测量。该成果最近以“Sub-nanogram Resolution Measurement of Inertial Mass and Density Using Magnetic-field-guided Bubble Microthruster”为题发表于Advanced Science (2024, 2403867)，并被选为期刊封面文章(图1)。

研究团队搭建了亥姆霍兹线圈三维磁场操控系统，集成了手柄操控功能，不仅实现对磁导航气泡微机器人的运动控制，还可对周围微颗粒的抓取、推进、驻留等多种操控功能。不同于以往研究仅将微气泡视为能量来源，本技术有效利用了气泡生长/融合过程引起的流体力学作用，尤其是气泡引起的瞬时射流提供了微纳尺度稀有的惯性效应。微气泡融合过程产生瞬时射流速度可达到1 m/s量级(Re~10)，成为对目标颗粒实现微推进或施加瞬时惯性冲击的Bubble Microthruster (BMT)。通过实验确定了目标颗粒惯性响应的三阶段特性(图1)以及适合产生针对目标颗粒射流推进的工作区间。目标颗粒对惯性射流冲击的响应，尤其是对第二阶段瞬时射流冲击(图1蓝线)以及第三阶段速度衰减(图1绿线)的实验结果拟合可以确定颗粒的弛豫时间τ_p = 2R_p²ρ_p/9μ，并由此测量颗粒质量或密度。采用不同密度、质量的微颗粒进行了实验方法的验证(图2)，测量精度可达约0.1 ng。通常10 μm尺度的细胞，质量约1 ng量级，因此本技术具备了检测细胞质量/密度的能力，填补了对胚胎/细胞的质量/密度实时、便捷测量的技术空白。相比纳米谐振、拉曼散射显微等复杂方法，本技术具有快捷、易操控、成本低等优势。针对基于密度变化监控胚胎发育过程的需求，该技术被用于测量E3.75 - E4.0时期小鼠胚胎的密度(图3)。

力学所特别研究助理王雷磊博士为论文第一作者，郑旭副研究员为论文通讯作者；力学所关东石研究员、西安建筑科技大学崔海航教授、北京航空航天大学杜婧教授为共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发项目(2022YFF0503504)、中国科学院战略先导B (XDB0620102)以及国家自然科学基金面上、青年项目(12072350、12372267、12302357、12222201、82273500)的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202403867

图1. 本研究基于Bubble Microthruster对目标颗粒施加瞬时惯性冲击，发展了亚纳克精度胚胎质量/密度实时、便捷测量的新技术。气泡微推进的三阶段特性(左图)，可利用目标颗粒对气泡产生的惯性射流冲击的响应，尤其是对第二阶段瞬时射流冲击(蓝色)以及第三阶段速度衰减(绿色)的实验结果拟合可以确定颗粒的弛豫时间，并由此测量胚胎等颗粒的质量或密度。结果作为封面文章发表于Advanced Science (右图)

图2.采用不同密度、质量的微颗粒进行了实验方法的验证，发现测量精度可达约0.1ng

图3. 采用BMT对小鼠胚胎的密度进行测量