一种温度响应微型机器人—哈尔滨工业大学常晓聪团队新进展

研究背景

温度传感在工业、化学和生物医学系统的控制与监测中发挥着关键作用。面对复杂多孔或环境受限的内部空间结构时，传统温度测量技术如热电偶、红外传感器和光纤传感器不仅受限于尺寸，还在机械柔韧性和空间适应性或者接触要求等方面存在不足。为了突破这些限制，研究人员探索了多种纳米级温度传感器包括量子点、镧系掺杂纳米粒子以及金刚石氮空位中心等。这些测温方法具备高空间分辨率和较宽的温度测量范围，但是它们通常需要持续光激发和实时荧光检测，因而难以在复杂多孔或环境受限的内部空间中实现有效检测。

研究进展

哈尔滨工业大学常晓聪等提出一种温度响应微型机器人(Temperature-Responsive Microrobot, TRM)，它能在狭小曲折的高温区域中运动、感知温度，并能将感知的温度信息带出复杂多孔环境，可以实现160℃-240 ℃的离线温度测量，为复杂受限环境的高温检测提供全新思路，并进行了概念性说明（图1）。

TRM的主体是由热致变色功能材料构成的，其主要成分是透明树脂和硫酸四氨合铜。团队分析了其热致变色的工作机理，即升温时，硫酸四氨合铜逐步向碱式硫酸铜转变，颜色由蓝色逐渐变为绿色，至约200 ℃左右转化基本完成。随着温度的升高，透明树脂发生热氧化反应生成共轭发色团，整体颜色进一步向深黄色演变，且颜色转变不可逆。团队基于液滴微流控技术和物理气相沉积技术制备了Janus结构的TRM，一侧是以硫酸四氨合铜为核心的热致变色功能材料，另一侧是物理气相沉积覆盖的约300 nm厚的镍层。这一组合让TRM既能感知温度，又能实现可控的运动。

其次团队研究了TRM的运动能力，搭建了三维亥姆霍兹线圈系统，它可以产生可调旋转磁场。探究了磁场强度和磁场频率对TRM运动的影响，便于在不同介质和几何环境下优化驱动参数，并验证了在微尺度复杂结构中的运动能力和可控机动性。

接着，团队基于不同温度下的显微图像提取颜色特征值，训练多层感知机（MLP）回归模型，实现颜色到温度的映射。训练的温度感知模型的训练集R²系数达到0.979、测试集R²系数达到0.946，且近似正态分布，说明泛化精度与稳定性俱佳。这样一来，回收TRM后仅需显微图像即可输出数值温度，无需现场供能或实时光路。

最后，团队在类真实场景下验证了温度感知能力。在简化模型中，TRM受磁场引导进入200 ℃目标区域温度感知后进行回收，经感知模型推断目标区域温度为198.73 ℃，与设定温度基本一致。后续在更具代表性的非透明多孔碳化硅结构中进行实验验证，TRM从多孔结构的入口运动至底部高温区域，完成温度感知后进行回收，经过感知模型推断后得出底部温度为199.76 ℃。这些在类真实场景下的实验验证了TRM在非透明、狭小等高温受限环境中的有效性。

未来展望

面向未来，温度响应微型机器人可为高温、狭小与非透明空间的离线检测提供了全新技术手段：磁驱可达、颜色不可逆记录、定量解读。它可以适配多孔材料、微管道与复杂构件内部。随着材料体系扩展、批量制备技术成熟以及磁场装备工程化，本方法有望实现更安全、更高效的工业级温度感知。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0760