[01236178]生物医用纳米马达制备和运动机理及控制方法研究

微纳机器人是一种能够将外部环境中的光能、电能、磁能、超声能以及化学能等转换成机械能的微纳机械。微纳机器人具有尺度小、推重比高、可自主运动等特性,能够潜入狭小微纳空间完成宏观机械无法执行的任务,将对精准医疗、微纳传感、微纳制造、污染处理及能源开采等领域产生变革性技术推动。诺贝尔奖获得者Stoddart认为：“微纳机器人在未来将为人类带来无限可能”。微纳机器人的尺寸效应、表界面效应及其低雷诺数工作环境,给机器人的设计制造方法和控制理论提出了巨大挑战,是近十年来机器人领域的研究热点。现有微纳机器人存在“跑不快、控不准、环境适应性差”等局限,极大限制了微纳机器人的应用。为突破微纳尺度和低雷诺数环境给微纳机器人设计制造带来的瓶颈,本项目在国家自然科学基金委优秀青年基金、面上项目、青年项目等国家项目的连续支持下,围绕微纳机器人高效驱动、精准操控及环境适应性开展了系统深入的研究工作,建立了微纳机器人设计方法和控制理论体系。 主要科学发现如下： （1） 发现了低雷诺数环境下微纳机器人构型及表面特性对固/液界面行为的影响机制,建立了机器人阻力系数归一化理论模型,提出了采用酶促反应紊流层降低微纳机器人固/液界面阻力,以及采用仿生构型提升驱动力的设计方法。相关成果被被评为工程技术领域前0.1%的 ESI 热点论文,英国皇家化学学会Fellow、美国AIMBE Fellow Joseph Wang教授、Small编委Pumera教授等10多位学者在ACS Nano、 Small、Angew Chem Int Ed等顶级期刊上多次引用所提出的理论模型解释其实验结果;IEEE总主席、日本工程院院士、中国科学院外籍院士Fukuda教授对相关成果进行正面引用和评价。 （2） 综合考虑微纳机器人布朗运动扰动、时序错乱、粘滞力大等特征,基于模糊控制思想,建立了基于人工势场模型与广度优先搜索模型的微纳机器人控制理论与方法,实现了复杂环境中的自主避障与精准导航;提出了基于分子竞争吸附机制调控纳米酶引擎动力输出的方法,实现了微纳机器人运动速度的精准调控。所提出的控制方法被评价为“一种精巧的磁控方法实现精确导航”,并入选为工程技术领域前1%的 ESI 高被引论文。 （3） 发现了材料物化特性与微纳机器人驱动的能量传递转化作用机制,基于内光电效应带隙调控和蛋白异构动态特性,发明了可见光/生物酶驱动等一系列微纳机器人,拓展了微纳机器人的环境适应性。相关成果被Gottfried Wilhelm Leibniz Prize获得者、德国莱布尼茨固体物理与材料研究所综合纳米研究所所长Schmidt教授评价为“世界首例可见光驱动微纳机器人”;提出的模型被英国皇家化学学会Fellow、美国AAAS Fellow Sen教授评价“为智能分子机器人的开发提供极佳模型体系”。 项目的29篇主要论文中,19篇发表在微纳领域国际顶级期刊Nano Letter（IF：12.279）、ACS Nano（IF：13.903）、JACS（IF：14.695）、Chem Rev（IF：54.301）、Small（IF：10.856）、Adv Funct Mater（IF：15.621）等上, SCI他引总计2479次（单篇最高390次）;12篇论文入选ESI高被引论文,其中1篇进入ESI前0.1%热点论文。8篇代表性论文全部发表在Nano Letter（IF：12.279）、ACS Nano（IF：13.903）、JACS（IF：14.695）、Chem Rev（IF：54.301）、Nanoscale（IF：6.97）等高水平期刊上,SCI 他引731 次,Google 学术他引817次,6 篇论文入选ESI高被引论文。研究成果被Nature、Nature chem、Nature comm、Nature protocols、Science Robotics、Science Adv、Advanced Material、Chemical Society Review等国家顶级期刊论文引用,引用学者包括美国、中国、欧洲、韩国等多位院士、以及RSC、ASME、AAAS、 AIMBE、IEEE Fellow。部分成果被国际同行评价为 “首个” （“first”）、“首次采用” （“firstly utilized”）、 “非同寻常的” （“Extraordinary”）、“极佳的模型” （“Excellent Model System”）等。 项目部分研究成果获黑龙江省青年科技奖、马普智能所Günter Petzow Prize、中国科技新锐“卓越影响奖”、ASME最佳论文奖等,第一完成人获国家优秀青年基金资助,入选教育部青年长江学者、中组部青年拔尖人才等人才计划,第二完成人入选中组部青年千人、德国洪堡学者等。成果主要完成人在微纳机器人领域相关国际会议以及顶级论坛做特邀报告20人次,担任Research、 J Mater Sci Tech、ASME J Tribol等国际顶级期刊副主编或编委,第一完成人作为大会主席主办了2019年第二届微纳机器人国际会议以及2018年ASME微纳系统国际会议。