可控微尺度驅動是微納機器人與活性物質設計的核心目標。在粘性流體環境中，流體動力潤滑會顯著降低滾輪驅動時的旋轉-平移轉換效率，導致驅動力大幅衰減，但滾輪在高速轉動下仍可產生可觀的平移速度。而粘彈性流體廣泛存在于生物體系（如血液、粘液、細胞質）與工業場景中，其獨特的流變性質——兼具粘性耗散與彈性儲能——為微尺度驅動提供了新的機遇與挑戰。聚合物分子在剪切流中會發生拉伸，從而產生沿流線方向的彈性張力，然而，這種彈性張力對滾輪運動的影響，以及能否由此建立全新的驅動機制，此前尚缺乏系統性研究。
近期，上海交通大學物理與天文學院交叉科學研究所曹鑫教授團隊聯合上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院李高進教授團隊和浦江國際學院屈子杰教授團隊發現了一種基于粘彈性流體的全新的滾輪運動機制，粘彈性流體中的旋轉滾輪會自發產生與預期方向相反的平移運動。
2026年2月14日，該工作以“Observation of a backward sliding motion for rollers on surfaces in viscoelastic fluid”為題發表在《Nature Communications》上。文章第一作者是上海交通大學物理與天文學院的博士生何成雨和浦江國際學院的博士生喬亞騰。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
研究團隊使用不同直徑的超順磁膠體球作為微滾輪，通過三對相互垂直的線圈產生旋轉磁場驅動球體旋轉（圖1a）。當在水中旋轉沿y軸旋轉時，球體（D = 4.5 μm）如預期向前（x正向）移動（圖1b上）。然而在PAAM溶液（濃度c = 0.1 g/L）中，膠體卻向后滑動（圖1b下）。這樣的倒滑現象對于不同尺寸和形狀的滾輪在不同類型的粘彈性流體（如膠束溶液、蛋清等）中均觀察到（見論文的補充視頻），表明這是粘彈性流體中滾輪的普遍特征。對于D = 4.5 μm的膠體球在PAAM溶液中滾動，測量顯示滑動速度v與旋轉速度ωr呈線性（正比）關系（圖1c）。比例系數k在臨界值c ≈ 0.025 g/L處降至零（圖1d），在更小的c 值保持負值（即倒滑）。
圖1 微型滾輪倒滑運動的實驗觀察
為理解這一倒滑現象的機制，研究團隊使用Giesekus模型模擬滾輪周圍的流場。如圖2a所示，當球體沿y軸旋轉時，流體通過球體頂部從負x方向流向正x方向，同時觀察到流線向y軸兩個方向螺旋前進，從而分走了一部分從x負方向流向x正方向的流量。由于流場能導致聚合物的拉伸，后方較大的流量會產生更大的粘彈性張力，從而對整個球體產生凈向后的彈性力T‖。當聚合物濃度增大到超過臨界值時，T‖超過向前摩擦力f，即發生向后滑動。這一理論描述能很好地符合不同大小的微米滾輪（圖2b）在不同濃度的PAAM溶液中的滾動行為的實驗數據。
圖2 滾輪倒滑行為的機理
對于毫米級滾輪，由于其與接觸面的摩擦力較大，僅在足夠高的聚合物濃度和較大的滾動角速度下才能觀察到倒滑（圖3ab）。通過將k作為韋森伯格數Wi = ωτ的函數繪制時（其中τ為粘彈性流體的弛豫時間，由濃度c決定)，可以得到決定是否產生倒滑行為的臨界韋森伯格數Wic（圖3c），對應于微米滾輪中的臨界聚合物濃度。
圖3 毫米級滾輪的倒滑行為
除了產生倒滑，包覆在滾輪上方的流場（圖2a所示）還導致滾輪與接觸面之間產生相互吸引。因而當磁性膠體顆粒在另一個較大的非磁性顆粒物附近沿著z軸旋轉時（如圖4a所示），磁球會被較大的球吸引而形成不對稱啞鈴。磁球通過接觸摩擦將旋轉運動傳遞給非磁球，使其沿相反方向做圓周運動。通過調節旋轉速度可控制圓周半徑，實現可編程的位置操控和搬運。
圖4 利用倒滑行為進行貨物的定向搬運
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69523-9
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