研究团队搭建了亥姆霍兹线圈三维磁场操控系统，集成了手柄操控功能，不仅实现对磁导航气泡微机器人的运动控制，还可对周围微颗粒的抓取、推进、驻留等多种操控功能。不同于以往研究仅将微气泡视为能量来源，本技术有效利用了气泡生长/融合过程引起的流体力学作用，尤其是气泡引起的瞬时射流提供了微纳尺度稀有的惯性效应。微气泡融合过程产生瞬时射流速度可达到1 m/s量级(Re~10)，成为对目标颗粒实现微推进或施加瞬时惯性冲击的Bubble Microthruster (BMT)。通过实验确定了目标颗粒惯性响应的三阶段特性(图1)以及适合产生针对目标颗粒射流推进的工作区间。目标颗粒对惯性射流冲击的响应，尤其是对第二阶段瞬时射流冲击(图1蓝线)以及第三阶段速度衰减(图1绿线)的实验结果拟合可以确定颗粒的弛豫时间τp = 2Rp2ρp/9μ，并由此测量颗粒质量或密度。采用不同密度、质量的微颗粒进行了实验方法的验证(图2)，测量精度可达约0.1 ng。通常10 μm尺度的细胞，质量约1 ng量级，因此本技术具备了检测细胞质量/密度的能力，填补了对胚胎/细胞的质量/密度实时、便捷测量的技术空白。相比纳米谐振、拉曼散射显微等复杂方法，本技术具有快捷、易操控、成本低等优势。针对基于密度变化监控胚胎发育过程的需求，该技术被用于测量E3.75 - E4.0时期小鼠胚胎的密度(图3)。

力学所特别研究助理王雷磊博士为论文第一作者，郑旭副研究员为论文通讯作者；力学所关东石研究员、西安建筑科技大学崔海航教授、北京航空航天大学杜婧教授为共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发项目(2022YFF0503504)、中国科学院战略先导B (XDB0620102)以及国家自然科学基金面上、青年项目(12072350、12372267、12302357、12222201、82273500)的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202403867

图1. 本研究基于Bubble Microthruster对目标颗粒施加瞬时惯性冲击，发展了亚纳克精度胚胎质量/密度实时、便捷测量的新技术。气泡微推进的三阶段特性(左图)，可利用目标颗粒对气泡产生的惯性射流冲击的响应，尤其是对第二阶段瞬时射流冲击(蓝色)以及第三阶段速度衰减(绿色)的实验结果拟合可以确定颗粒的弛豫时间，并由此测量胚胎等颗粒的质量或密度。结果作为封面文章发表于Advanced Science (右图)

图2.采用不同密度、质量的微颗粒进行了实验方法的验证，发现测量精度可达约0.1ng

图3. 采用BMT对小鼠胚胎的密度进行测量