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Navigating micro- and nano-motors/swimmers with machine learning: Challenges and future directions
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作者 Jueyi Xue Hamid Alinejad-Rokny Kang Liang 《ChemPhysMater》 2024年第3期273-283,共11页
Micro-/nano-motors(MNMs)or swimmers are minuscule machines that can convert various forms of energy,such as chemical,electrical,or magnetic energy,into motion.These devices have attracted significant attention owing t... Micro-/nano-motors(MNMs)or swimmers are minuscule machines that can convert various forms of energy,such as chemical,electrical,or magnetic energy,into motion.These devices have attracted significant attention owing to their potential application in a wide range of fields such as drug delivery,sensing,and microfabrication.However,owing to their diverse shapes,sizes,and structural/chemical compositions,the development of MNMs faces several challenges,such as understanding their structure-function relationships,which is crucial for achieving precise control over their motion within complex environments.In recent years,machine learning techniques have shown promise in addressing these challenges and improving the performance of MNMs.Machine learning techniques can analyze large amounts of data,learn from patterns,and make predictions,thereby enabling MNMs to navigate complex environments,avoid obstacles,and perform tasks with higher efficiency and reliability.This review introduces the current state-of-the-art machine learning techniques in MNM research,with a particular focus on employing machine learning to understand and manipulate the navigation and locomotion of MNMs.Finally,we discuss the challenges and opportunities in this field and suggest future research directions. 展开更多
关键词 micro/nano-motors Active matter Machine learning Reinforcement learning
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Fundamentals and applications of enzyme powered micro/nano-motors 被引量:3
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作者 Hao Yuan Xiaoxia Liu +1 位作者 Liying Wang Xing Ma 《Bioactive Materials》 SCIE 2021年第6期1727-1749,共23页
Micro/nanomotors(MNMs)are miniaturized machines that can convert many kinds of energy into mechanical motion.Over the past decades,a variety of driving mechanisms have been developed,which have greatly extended the ap... Micro/nanomotors(MNMs)are miniaturized machines that can convert many kinds of energy into mechanical motion.Over the past decades,a variety of driving mechanisms have been developed,which have greatly extended the application scenarios of MNMs.Enzymes exist in natural organisms which can convert chemical energy into mechanical force.It is an innovative attempt to utilize enzymes as biocatalyst providing driving force for MNMs.The fuels for enzymatic reactions are biofriendly as compared to traditional counterparts,which makes enzyme-powered micro/nanomotors(EMNMs)of great value in biomedical field for their nature of biocompatibility.Until now,EMNMs with various shapes can be propelled by catalase,urease and many others.Also,they can be endowed with multiple functionalities to accomplish on-demand tasks.Herein,combined with the development process of EMNMs,we are committed to present a comprehensive understanding of EMNMs,including their types,propelling principles,and potential applications.In this review,we will introduce single enzyme that can be used as motor,enzyme powered molecule motors and other micro/nano-architectures.The fundamental mechanism of energy conversion process of EMNMs and crucial factors that affect their movement behavior will be discussed.The current progress of proof-of-concept applications of EMNMs will also be elaborated in detail.At last,we will summarize and prospect the opportunities and challenges that EMNMs will face in their future development. 展开更多
关键词 micro/nano-motors ENZYMES Bio-catalytic reactions Active motion Self-propulsion mechanism
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Janus球形微马达的自驱动机理研究:自扩散泳动与微气泡推进 被引量:3
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作者 郑旭 崔海航 李战华 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第2期167-185,共19页
微纳马达的研究是一个多学科交叉的新兴领域.其中,Janus微马达利用自身两面异性导致的局部梯度场而产生自驱动现象,引起了学界的普遍关注.本文主要基于目前已开展的工作并借鉴国内外的一些最新成果,以期对Janus球形微马达的物理特征给... 微纳马达的研究是一个多学科交叉的新兴领域.其中,Janus微马达利用自身两面异性导致的局部梯度场而产生自驱动现象,引起了学界的普遍关注.本文主要基于目前已开展的工作并借鉴国内外的一些最新成果,以期对Janus球形微马达的物理特征给出全面的描述.针对铂-二氧化硅(Pt-SiO_2)型Janus微球在过氧化氢溶液中发生的自驱动,通过实验和数值模拟分析了其两种自驱动形式(自扩散泳动和微气泡推进)的物理机制和运动特征.直径小于5mm的Janus微球发生自扩散泳动,通过无量纲均方位移随时间的变化揭示了微球平动经历由纯布朗运动、扩散泳动到类布朗运动的过程,给出了特征时间及不同阶段的主导物理因素.位移概率分布可以表征非高斯性,并分析布朗力矩主导的旋转特性并讨论壁面限制及剪切流的影响.直径20~50mm微球可观测到微气泡推进,微球位移揭示了随气泡尺寸增长,微球经过自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭推进3个阶段组成的周期运动.Rayleigh-Plesset(R-P)方程则揭示了依次由黏性力、表面张力及气泡周围流体压力控制下的气泡生长标度率.本文还从应用角度介绍了交变电场下,利用介电泳操控Janus微球的微穿梭输运(microshuttle)技术,并讨论了自扩散泳与自电泳差别及微气泡推进型微马达效率提高等问题. 展开更多
关键词 微纳马达 Janus微球 自扩散泳动 微气泡推进 微纳流控
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光响应Janus粒子体系的构建与应用 被引量:1
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作者 郑明心 谭臻至 袁金颖 《化学进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2022年第11期2476-2488,共13页
Janus粒子通常由两种或两种以上不同物理或化学性质的部分组成,其结构的不对称性导致了粒子形貌和性质具有不对称性。与“静态”Janus粒子相比,具有刺激响应性的“动态”Janus粒子能够与环境发生相互作用,在外界刺激下表达特殊功能。光... Janus粒子通常由两种或两种以上不同物理或化学性质的部分组成,其结构的不对称性导致了粒子形貌和性质具有不对称性。与“静态”Janus粒子相比,具有刺激响应性的“动态”Janus粒子能够与环境发生相互作用,在外界刺激下表达特殊功能。光响应Janus粒子是一类可以在光刺激下发生特定响应的Janus粒子,其两侧不同的组成不仅可以结合多种类型的光响应性,也能与其他类型的刺激响应进行配合,从而实现对特定体系的精确调控。由于光能易于调节的特性,光响应Janus粒子可以与无机纳米团簇或有机官能团产生特定反应,具有光热效应、色彩调节、光动力治疗等独特特性。它们还可以应用于药物递送、生物传感与成像、微纳米马达和光致发光等领域,为解决生物医学和光学器件相关的问题提供了新的方法。本文主要介绍光响应Janus粒子近期发展的制备方法,并着重阐述其独特调控机理以及其在生物医药、发光材料等领域的突出应用,最后对目前该领域的发展前景做出展望。 展开更多
关键词 Janus粒子 光响应性 微纳米马达 智能纳米材料 药物递送 生物传感 光致发光 光热效应
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不均匀环境中二聚体微纳米马达的动力学性质
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作者 金英俊 董康杰 温正城 《杭州电子科技大学学报(自然科学版)》 2022年第5期83-88,102,共7页
主要研究燃料不均匀环境中的二聚体微纳米马达的动力学性质。采用混合的分子动力学和多粒子碰撞动力学(Molecular Dynamics-Multi-Particle Collision Dynamics,MD-MPC)方法进行系统建模,并通过计算机模拟仿真二聚体微纳米马达在不均匀... 主要研究燃料不均匀环境中的二聚体微纳米马达的动力学性质。采用混合的分子动力学和多粒子碰撞动力学(Molecular Dynamics-Multi-Particle Collision Dynamics,MD-MPC)方法进行系统建模,并通过计算机模拟仿真二聚体微纳米马达在不均匀环境中的自驱动和群集现象。研究表明,在燃料富集区域,微纳米马达展现自驱动行为,显示较高的活性运动。并且,在速度较高的区域,不同于其他类型的马达,化学能驱动的微纳米马达反而呈群集现象,使得马达群体在不均匀环境中表现出有趣的相分离现象,即高速运动燃料区的团簇集群和非燃料区呈分散状态。 展开更多
关键词 不均匀环境 微纳米马达 化学能驱动 二聚体 群集 自组装
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微纳马达行为控制与驱动燃料研究
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作者 胡飞燕 梁熙 +1 位作者 张启禄 任碧野 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第A02期189-193,共5页
人造微米马达是一种通过特定工艺制备而成的微米尺寸器件,在特定刺激下,能够实现各种各样的机械运动。微纳马达发展至今,取得了很多重大的突破和进展,科学家们通过多种材料制备了能在不同化学燃料中运动的微纳马达。主要对微纳马达行为... 人造微米马达是一种通过特定工艺制备而成的微米尺寸器件,在特定刺激下,能够实现各种各样的机械运动。微纳马达发展至今,取得了很多重大的突破和进展,科学家们通过多种材料制备了能在不同化学燃料中运动的微纳马达。主要对微纳马达行为控制与驱动燃料进行研究。 展开更多
关键词 微纳马达 行为控制 驱动燃料
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NEMS外场驱动微电机研究进展
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作者 曹富林 许立忠 《微特电机》 2019年第3期77-81,共5页
按照外场驱动微电机的驱动机制进行分类,简要介绍了各类微电机的制造工艺及应用前景,综述了各类微电机的研究与应用现状。指出了当前外场驱动微电机领域的研究热点,分析了微电机在实际应用中存在的困难。展望了外场驱动微电机未来的发... 按照外场驱动微电机的驱动机制进行分类,简要介绍了各类微电机的制造工艺及应用前景,综述了各类微电机的研究与应用现状。指出了当前外场驱动微电机领域的研究热点,分析了微电机在实际应用中存在的困难。展望了外场驱动微电机未来的发展趋势及应用前景。 展开更多
关键词 微纳米电机 纳机电系统 外场驱动 微电机 发展趋势 应用前景
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