旋转磁场下柔性纳米游泳器的空间动力学

微纳米机器人游泳器在未来的生物医学任务中具有广阔潜力，如靶向药物输送和微创诊断。施加旋转外部磁场是驱动此类纳米游泳器的有效方法，可实现螺旋式扭舞运动。在先前的工作中，我们展示了由两根短弹性铆接的纳米棒构成的简单磁性纳米游泳器的制造与驱动。不同驱动频率下的实验结果表明，存在不同的运动模式：低频下为平面内翻滚；较高频率下随旋转磁场同步实现空间螺旋路径运动；进一步提高频率后可获得非同步游泳。本文对该纳米游泳器的运动进行数学分析。我们采用简单两链模型，明确形式化并分析其非线性动力学方程，并将其化简为更简单的时不变系统。首次获得平面翻滚和空间螺旋游泳同步运动的显式解析解。我们进行稳定性分析，呈现不同解支分支的稳定性转变与分叉。此外，我们分析了额外效应的影响，并对游泳器速度进行参数优化。我们的理论研究结果对于理解实验中磁性纳米游泳器的非线性动力学至关重要，同时有助于实际优化其性能。