控制微觀過程本身就具有挑戰性。我們用來宏觀操縱物質的工具不能簡單地縮小到細胞的大小。雖然它們可以按比例縮小，但當它們瞄準納米時，它們的物理力會產生不同的效果。雖然不是一件容易的事，但實現這種控制將帶來巨大的好處：無論是將藥物輸送到腫瘤以進行精確治療，還是從稱為膠體的液體懸浮構建塊中制造功能材料，賓夕法尼亞大學。大學工程師正在努力使這些過程更快、更安全、更可靠。

　　管理這些流程的一種方法是使用小型機器人。

　　我們經常將機器人視為計算機化的機器，例如裝配線上或倉庫中的機器，可以對它們進行編程以移動物體并構建復雜的結構，例如汽車和手機。然而，比微芯片還小的編程機器是另一個挑戰。這種尺寸的機器人太小而無法計算機化，其設計必須與更大的機器人完全不同，并且遵循完全不同的物理和化學定律。

　　由于微型機器人對于自己的機器來說太小了，它們依靠外部磁力移動。為了處理一件微小的貨物，他們必須利用各種物理和化學定律來操縱微觀尺度。在這些維度上，每個物體都受到周圍分子的極大影響。被周圍大氣等氣體包圍或浸入液體中的微型機器人的設計必須通過“物理智能”的概念來利用這種效應。

　　通過了解系統、周圍的介質和其中的粒子，小型、具有物理智能的機器人可以執行各種任務。化學與生物分子工程與機械工程與應用力學教授，姚天一，原博士他實驗室的學生張啟興目前是一名醫生。盧布爾雅那大學教授團隊的學生和合作者正在進行基礎研究，為了解構成每個液晶顯示器(LCD)的向列液晶(NLC)膠體流體中的這些小規模相互作用提供基礎屏幕上的像素。

　　“向列液晶作為一種特殊相存在，它是一種既不是液體也不是固體的結構化液體，”Stebe說。“NLC由細長的分子組成，這些分子以需要最少能量的配置自行排列。想想搖晃一鍋米飯；所有紋理都排成一行。當你通過引入小型機器人或膠體物體來破壞排列時，對于例如，有一些有趣的動力學在水中是看不到的。NLC的物理學使我們能夠研究這些獨特的相互作用。”

　　在《高級功能材料》發表的一項研究中，該團隊描述了一種四臂磁控微型機器人，它可以游泳、運輸貨物，并在這種復雜的流體中主動結合粒子。“我們從創造復雜行為的復雜形狀開始，”Stebe說。“在這里，微型機器人由外部磁場引導，并利用它們的物理智能將顆粒作為貨物撿起，然后在它們游到有紋理的表面時與它們發生碰撞。表面上的凹槽的大小只能吸引和容納顆粒.事實上，正是這種曲面設計激發了四足微型機器人的設計靈感。我們利用膠體的物理形態、表面化學和NLC中的特定動力學來控制它。

　　“然而，我們觀察這些復雜功能的次數越多，我們對它們的了解就越少，”他補充道。“我們需要回到基礎來真正解釋這里發生的事情。”這個機器人會游泳嗎？它如何保持和移動粒子？在另一項發表在《科學進展》期刊上的研究中，該團隊用一個更簡單的小型機器人回答了這些問題。

　　Stebe說“板狀讓我們更好地了解微型機器人的游泳能力，在這里你可以看到，當板塊的一側向上傾斜時，其下方會產生拓撲缺陷。拓撲缺陷與板塊本身的相互作用會產生能量梯度，使板塊自行移動。”

　　機器人游泳功能的拓撲失效是由于NLC的復雜組織，這與水等無序液體有很大不同。

　　“利用向列液晶的物理特性，”這兩項研究的主要作者Yao說，“我們可以構建一個具有物理智能的微型機器人系統。我們可以遠程交互，調整結合強度，重新配置空間。。“.雖然我們已經證明這些相互作用是在微觀尺度上發生的，但流行物理學也適用于非常小的尺度，大約30-50納米。”

　　在這個級別操縱過程的能力是開創性的，并且是理解機器人系統如何以間接方式執行任務的關鍵，這種間接方式涉及流體動力學和作為微型機器人設計一部分的媒體之間的物理交互。

　　Stebe和他的團隊現在可以設想這項技術在光學設備行業以及許多其他領域的實際應用。溫度和光可以作為設計智能材料和了解其環境的小型機器人任務的控制。“與我們敬業的同事和研究生一起，我們一直在努力研究這項技術，并很高興看到多年工作的成果，”他說。“我們現在正處于實際應用的邊緣，準備探索。”

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