有一天，微型游泳机器人可能会在人体内穿梭以递送药物。这些药物将只针对需要治疗的区域——例如，针对肿瘤的化疗药物——从而避免伤害健康组织并最小化副作用。由理海大学（Lehigh University）P.C. Rossin工程与应用科学学院的机械工程与力学助理教授埃布吕·德米尔（Ebru Demir）领导的研究团队，与圣克拉拉大学（Santa Clara University）的On Shun Pak和布朗大学（Brown University）的Roberto Zenit合作，正在研究微型机器人如何在体液中移动。他们最近在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）期刊上发表了一篇论文，详细阐述了新的基础性发现。
挑战在于体液很难导航。血液和粘液是非牛顿流体，这意味着它们的粘度会在剪切应力下发生变化——当流体层相互滑动或沿着血管壁等固体表面滑动时产生的摩擦力。
在非牛顿流体中测试运动
"我们发现，流体的流变学特性或性质影响了微型机器人的运动，"论文的主要作者、德米尔研究小组的二年级博士生阿明·巴拉扎德·库切（Amin Balazadeh Koucheh）表示。"具体来说，我们发现当我们在非牛顿流体中增加驱动频率时，微型机器人会反转其运动方向。这一现象此前已被我们的研究小组通过数值模拟展示，但这是首次通过实验观察到。"
研究团队使用了两种类型的微型机器人：球体和螺旋体（模仿某些细菌的螺旋形状）。他们在每个微型机器人中嵌入了一个磁铁，并首先在牛顿流体中进行测试。（牛顿流体，如水或酒精，其粘度永远不会改变，无论流体被如何摇动或搅拌。）他们使用了毫米级的微型机器人，但通过增加测试流体的粘度来匹配微观游泳的物理特性。
Credit: Christa Neu
通过磁力驱动微型机器人，研究人员使它们旋转并向前移动。当他们增加旋转频率时，微型机器人如预期般继续以更快的速度向前移动。
同时，微型机器人在靠近壁面时推动周围流体的方式也导致它们在向前移动的同时向侧面移动，从而形成对角线轨迹。但当研究人员将微型机器人放入模拟粘液或血液的合成非牛顿流体中时，他们观察到了意外的行为：在相同的磁力驱动下，微型机器人向与牛顿流体中相反的方向侧向移动。
"从某种意义上说，它们开始向后滑动，"该研究的共同第一作者、2026届理学硕士本·拉特诺（Ben Ratnor MS'26）表示。"这几乎就像是改变流体改变了每个微型机器人的终点线。"
Millimeter-scale swimmers were used in the experiment, but by increasing the viscosity of the test fluids, researchers were able to replicate the physics of microswimming. Credit: Lehigh University
对靶向药物递送系统的影响
这种意外运动的重要性在于团队的最终目标：成功操控这些微型机器人。为此，他们首先需要了解微型机器人如何对不同环境做出反应。
"两种类型的微型机器人都展示了这种向后滑动的运动，"巴拉扎德·库切说。"因此我们现在了解到，仅流变学特性就足以影响这一现象，而非形状。这是一个非常不错的发现，因为我们的目标是控制这些微型机器人在粘液和血液等剪切稀化流体内部的运动。"
这项研究的下一步是探索流变学对设计在微米尺度（本研究中的微型机器人是毫米级的）且具有不同形状的微型机器人的影响。
尽管靶向药物递送仍需多年才能实现，但像这样的发现代表了将这一概念从理论变为实践的渐进式进步。
"同样的微型机器人根据它穿过的流体不同而表现完全不同的行为，这是控制的一个强大手段，"德米尔说。"我们过去认为流体只是媒介。现在我们开始将其视为机器的一部分。"
阿明·巴拉扎德·库切等人，《剪切稀化流变学逆转低雷诺数推进器的壁面诱导运动》，《应用物理快报》(2026)。DOI: 10.1063/5.0333605
期刊信息：
《应用物理快报》
提供方：
理海大学（Lehigh University）
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