近日，上海交通大学物理与天文学院交叉科学研究所曹鑫课题组联合上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院李高进团队和浦江国际学院屈子杰团队发现了一种基于粘弹性流体的全新的滚轮运动机制，粘弹性流体中的旋转滚轮可以自发产生与预期方向相反的平移运动。利用这一现象可以组装微齿轮系统，将运动从旋转胶体颗粒传递到更大的物体，从而为复杂液体环境中的货物输运提供了新的机制。该工作以“Observation of a backward sliding motion for rollers on surfaces in viscoelastic fluid”为题发表在《Nature Communications》上。

研究背景

流体中的可控微尺度驱动是微纳机器人与活性物质研究的核心问题之一，而滚动是其中一种重要的驱动模式。相比于普通粘性流体（如纯水），生物体系及工业环境中常见的粘弹性流体能同时表现出粘性耗散与弹性储能特性，因此会显著改变微尺度机器人的运动行为。当滚轮在粘弹性流体中滚动时，其产生的剪切流场会使粘弹性介质沿流线方向发生拉伸，并产生粘弹性应力。然而，这些粘弹性应力如何影响滚动行为，以及能否由此设计出新型微尺度驱动机制，仍有待研究。

研究方法与结果

研究团队通过三对正交电磁线圈（图1a）产生的旋转磁场以驱动不同直径的磁性微米颗粒转动。如图1b（上）所示，在普通粘性流体（水）中，当磁场绕 y 轴旋转时，直径 D = 4.5 μm 的颗粒沿 x 正方向平动，与预期的方向一致。然而，在图1b（下）中，当同样的颗粒在聚丙烯酰胺（PAAM）粘弹性溶液（c = 0.1 g/L）中滚动时，颗粒却沿 x 负方向平动。该“倒滑”现象在不同尺寸及形状的滚轮，以及多种粘弹性流体（比如鸡蛋清溶液）中均被观察到（见原文中的补充视频），表明这是粘弹性环境中的一种普遍行为。实验进一步测得颗粒的平移速度 v 与其表面的旋转线速度 ωr 之间呈线性关系（图1c）。该比例系数 k 在聚合物浓度高于一个临界值（0.025 g/L）时为负，即c>0.025 g/L时滚轮会产生倒滑行为。

图1：实验装置与观察到的倒滑（向左运动）现象。

为揭示其物理机制，研究团队采用 Giesekus模型对滚轮周围的流场进行数值模拟。如图2a所示，当颗粒绕 y 轴旋转时，流体总体沿颗粒上方从 −x 至 +x 方向输运。但一部分从−x反向流进的流体沿 ±y 方向产生螺旋输运，导致沿+x方向流出的流量少于沿−x进入的流量。不对称的流量分布会在滚动颗粒的后方产生更强的粘弹性张力，从而形成沿−x的净粘弹性力。当聚合物浓度超过临界值时，该粘弹性力超过滚轮与接触面的摩擦力 f，最终导致颗粒发生反向滑移。这一理论能很好的描述实验中不同大小的微米滚轮在不同浓度的粘弹性溶液中的滚动行为（图2b）。

图2：倒滑的物理机制及实验结果的拟合。

除引起反向滑移外，颗粒上方的粘弹性流场还会挤压滚轮并使其与下方的接触面产生等效吸引作用。基于该效应，当磁性胶体在邻近较大非磁性颗粒表面附近旋转时，磁性颗粒会被吸引并与非磁颗粒形成不对称“哑铃”结构。如图3a所示，通过接触摩擦，磁性颗粒的转动（绕 z 轴）被传递至非磁性颗粒，从而使非磁性颗粒绕相反方向做圆周运动。通过调节磁性颗粒的旋转角速度，可连续调控非磁性颗粒的轨道半径（图3b），实现可编程的定位操控与微尺度输运功能（见图3c和原文补充视频）。

图3：利用倒滑机制实现微尺度搬运。

总结：

本研究发现并解释了粘弹性流体中普遍存在的滚轮倒滑现象，并利用粘弹性诱导的等效吸引力实现了微尺度齿轮系统的组装与可编程的颗粒物搬运，为开发适应复杂生物流体环境的微纳机器人提供了全新的设计原理。

上海交通大学物理与天文学院的2023级博士生何成雨和浦江国际学院的博士生乔亚腾是论文的第一作者。上海交大物理与天文学院曹鑫副教授，船舶海洋与建筑工程学院李高进副教授和浦江国际学院屈子杰副教授为论文的通讯作者，论文合作者还包括课题组的博士生曹煜和刘博奇。该研究得到国家自然科学基金和学院“阳阳发展基金”的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69523-9