在粘弹性流体表面观察到滚子向后滑动运动

为什么会出现向后滑动的滚轮

我们习惯于认为轮子和滚子转动时会向前移动——从史前用于搬运重石木滚到现代汽车及微小医疗机器人都是如此。但本研究揭示了一个令人惊讶的反常现象：当非常小的滚子在某些有弹性的、类似凝胶的液体中沿表面移动时，它们在“向前”旋转的同时可能向后滑动。理解这种违反直觉的效应有助于工程师设计新型微小器械，以穿行在黏液、血液和体内的其他复杂流体中。

在有弹性液体中的奇异运动

研究人员研究了从几微米（比红细胞还小）到几毫米不等的磁性球体。这些球体靠近固体表面，通过旋转磁场被驱动旋转，模拟了许多人工微型游动器在实验室中的驱动方式。在清水中，球体表现如预期：沿表面向前滚动。但在若干粘弹性液体中——包括长链高分子溶液、一种特殊的肥皂混合物，甚至蛋清——相同的旋转反而导致球体向后漂移。该向后滑动出现在多种球体尺寸、形状和表面条件下，表明这是一种稳健而普遍的现象。

周围流体如何从后方牵拉

为了解释这种反向运动的成因，作者将实验与流体流动的计算机模拟结合起来。粘弹性流体既有液体的特性，又像被拉伸的橡皮筋，因为它们包含在运动中会被拉长变形的长分子。当球体在此类流体中靠近壁面旋转时，其周围的流动在前后并不对称。模拟显示，在迎流侧存在更密集的流线和更强拉伸的高分子区域，而背风侧则较弱。这些被拉伸的区域像无数微小的橡皮筋从后方牵拉球体。如果这种向后的弹性牵引超过了来自滚动接触的常规向前摩擦，净效应就是向反方向运动。

从平滑的反转到依速率变化的效应

对于稀释高分子溶液中的微观滚子，研究人员发现旋转速率与向后滑动速度之间存在近似线性的简单关系。增加高分子浓度会逐步削弱常规的向前滚动，在临界浓度处使运动停滞，然后产生越来越强的向后滑动。更大的球体在出现反转前需要更高的高分子浓度，因为它们与表面的更大接触增加了普通摩擦力。对于毫米级、处在更高浓度且强非牛顿性的溶液中的滚子，行为则更丰富：运动的方向和强度不仅取决于浓度，还取决于球体的旋转速率。当用一个无量纲的量——魏森伯格数（Weissenberg 数，比较弹性效应与粘性效应）——来分析数据时，许多条件下的结果都落在一条曲线上，表明一旦弹性力超过粘性阻力和接触摩擦，向后运动便会出现。

隐藏的吸附力与微小磁性齿轮

同样的不对称流动不仅把球体向后拉，还将它们压向附近的表面。实验表明，微米级的滚子可以在流体中黏附并沿天花板和竖直墙面行进，这种粘附由粘弹性“吸力”保持。研究组随后利用该效应构建了一个简单的微尺度齿轮系统：一个小的磁性球在一个较大的非磁性球附近旋转。流动使两个球相互吸附，球间摩擦传递旋转，使较大球围绕运动。通过改变磁性球的旋转速度和运动路径，研究者可以引导较大球沿受控的螺旋或之字形轨迹移动，展示了在不直接抓取目标的情况下运输微小货物的可能方式。

对真实流体中微型机器人的意义

通俗地说，这项工作表明，在复杂、有弹性的液体中，在一个方向上更强地施力有时会让你向相反方向漂移，因为介质本身会储存并重新导向机械能。对于未来设计在粘弹性体液中穿行的医疗微型机器人，设计者需要考虑这种向后滑动，甚至可能利用它来实现新的运动方式和货物运输策略。更广泛地说，这项研究突出了向流体中加入弹性如何颠覆我们对简单物体运动的直觉预期，并为在真实环境中智能控制微型装置开辟了新途径。

引用: He, C., Qiao, Y., Cao, Y. et al. Observation of a backward sliding motion for rollers on surfaces in viscoelastic fluid. Nat Commun 17, 2781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69523-9

关键词: 粘弹性流体, 微型游动器, 向后滑动, 高分子溶液, 主动物质