托马斯·马卢克(Thomas Mallouk)实验室的一项新研究表明，如何利用磁体通过声波和板载泡泡电机驱动微型“火箭”，使其穿过细胞和粒子的3D风景。这项研究是宾夕法尼亚大学和圣地亚哥大学，深圳哈尔滨工业大学以及宾夕法尼亚州立大学的研究人员之间的合作，该研究最初在此处进行，并发表在《科学进展》上。
微型火箭的起源故事是从一个基本的科学问题开始的：科学家可以设计使用化学物质作为燃料穿越人体的纳米级和微米级容器吗?Mallouk等人进行的15年研究表明，简短的答案是“是”，但是研究人员在生物医学应用中使用这些容器时遇到了很大的障碍，因为它们用作燃料的化学物质(如过氧化氢)是有毒的。
一个“偶然的”发现导致Mallouk和他的小组专注于使用完全不同类型的燃料：声波。当试图通过声悬浮使火箭移动时，该过程通常是利用高频声波将粒子从显微镜载玻片上举起，但该小组惊讶地发现超声波使机器人以非常快的速度运动。Mallouk和他的团队决定进一步研究这种现象，以了解他们是否可以使用高频声波为微小的血管供电。
该小组的最新论文详细介绍了微型火箭的设计，类似于一个长10微米，宽5微米(约一个尘埃大小)的圆底杯子。圆形杯使用激光光刻技术进行3D打印，并包含金的外层，镍的内层和聚合物。铸金后用疏水性化学物质处理会导致气泡形成并被困在火箭腔内。
在存在超声波的情况下，火箭内部的气泡在水-空气界面处被高频振荡激发，从而将气泡变成车载电机。然后可以使用外部磁场操纵火箭。每个单独的火箭都有自己的共振频率，这意味着一个车队的每个成员都可以独立于其他成员进行驾驶。微小的火箭也非常擅长，能够借助特殊的鳍片在微型楼梯上行走并在三个维度上自由游泳。
火箭弹最独特的功能之一就是即使在拥挤的环境中也能以极高的精度移动其他粒子和细胞。机器人容器可以将粒子推向所需方向，也可以使用“牵引梁”方法以吸引力拉动物体。马卢克说，“在更大范围内没有能力推动物体而不干扰环境”，并补充说，大型船只使用的牵引梁方法在精确运动方面不那么出色。他补充说：“在这种长度范围内，您可以进行很多控制。”
在此特定大小下，火箭足够大，不会受到布朗运动，纳米尺寸范围内粒子经历的随机和不规则运动的影响，但又足够小，可以移动物体而不会干扰其周围的环境。“在这个特定的长度尺度上，我们正好在功率足以影响其他粒子的交叉点上，” Mallouk说。
通过增加或减少声学“燃料”的数量，研究人员可以提供火箭，他们还可以控制微小船只的速度。“如果我想让它变慢，我可以降低功率，而如果我想它变真的很快，我就可以提高功率，”从事纳米和微型电机项目的研究生Jeff McNeill解释说。 。“这是一个非常有用的工具。”
Mallouk和他的实验室已经在探索许多可能的领域，包括用光致动火箭的方法，以及制造尺寸更小，速度更快，更坚固的火箭。与Penn的工程师和机器人专家的未来合作，包括Dan Hammer，Marc Miskin，Vijay Kumar，James Pikul和Kathleen Stebe，可以允许火箭为船只配备计算机芯片和传感器，从而使它们“智能”，从而使其具有自主权和情报。
该小组认为，微型火箭具有广泛的医学潜力，从医学成像到纳米机器人，Mallouk表示：“我们希望拥有可控制的机器人来完成体内的任务：提供药物，转子根动脉，诊断探查。”
这项研究得到了美国国家科学基金会授予的DMR-1420620资助，该基金资助了宾州州立大学纳米级科学中心，该中心是材料研究科学与工程中心，支持纳米级材料领域的跨学科合作研究。
托马斯·马洛克(Thomas Mallouk)是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院化学系能源研究的瓦格洛斯教授。