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當(dang)前位置：首(shou)頁(ye)技術(shu)文章(zhang)清華(hua)：基於像(xiang)素化組裝(zhuang)的可(ke)重編(bian)程可(ke)集成(cheng)微(wei)流控功能(neng)模塊(kuai)的磁控柔性驅(qu)動器

清華(hua)：基於像(xiang)素化組裝(zhuang)的可(ke)重編(bian)程可(ke)集成(cheng)微(wei)流控功能(neng)模塊(kuai)的磁控柔性驅(qu)動器

更新時(shi)間(jian)：2024-03-11

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磁控柔性驅(qu)動器通(tong)常(chang)由具備磁響應變形(xing)能(neng)力(li)的柔性復(fu)合(he)材(cai)料制備獲(huo)得(de)，在(zai)外加磁場(chang)的驅(qu)動、控制、引(yin)導下，可(ke)實(shi)現(xian)非(fei)接(jie)觸(chu)式(shi)的連(lian)續(xu)形(xing)變、靈活運(yun)動、輸運(yun)貨(huo)物(wu)等功(gong)能(neng)。磁場(chang)驅(qu)動憑借其中低頻(pin)磁場(chang)安全(quan)性高(gao)、可(ke)穿透(tou)人體組織而(er)不(bu)發生明顯衰(shuai)減(jian)、通(tong)過(guo)電(dian)信(xin)號(hao)可(ke)實(shi)現(xian)精(jing)準(zhun)控制等優(you)勢(shi)，近(jin)年來(lai)在(zai)生(sheng)物(wu)醫療領(ling)域(yu)展現了(le)廣(guang)闊(kuo)的應用前景,也(ye)逐漸(jian)成(cheng)為(wei)了學(xue)科(ke)交(jiao)叉和(he)前沿(yan)探索(suo)的研(yan)究(jiu)熱點(dian)。然(ran)而(er)，傳(chuan)統的磁控柔性驅(qu)動器在(zai)制備後(hou)其磁分(fen)布(bu)也(ye)隨(sui)之(zhi)確定，所(suo)以(yi)目(mu)前缺乏(fa)壹種(zhong)具備可(ke)重編(bian)程能(neng)力(li)、能(neng)夠(gou)高(gao)效(xiao)集成(cheng)其他功能(neng)模塊(kuai)的磁控柔性驅(qu)動器。

近(jin)日，清華(hua)大(da)學深(shen)圳國(guo)際(ji)研(yan)究(jiu)生院彌(mi)勝(sheng)利教(jiao)授(shou)團(tuan)隊報(bao)道(dao)了(le)壹種(zhong)像素組裝(zhuang)式(shi)的磁控柔性驅(qu)動器的制備工(gong)藝(yi)，可(ke)應用於低成(cheng)本、可(ke)回收(shou)、可(ke)重編(bian)程的磁控驅(qu)動器的構(gou)建(jian)，實(shi)現(xian)定(ding)制化結(jie)構(gou)變(bian)形(xing)與仿生(sheng)運(yun)動（抓取(qu)、遊泳(yong)、蠕動等），並(bing)集成(cheng)微(wei)流控功能(neng)模塊(kuai)可(ke)用於開(kai)關(guan)閥控制、曲率調節(jie)、動態芯片(pian)結(jie)構(gou)與(yu)液體藥(yao)物(wu)輸送(song)機(ji)器人等。

相關(guan)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)以(yi)“Reprogrammable Magnetic Soft Actuators with Microfluidic Functional Modules via Pixel-Assembly"為(wei)題發表在(zai)《Small》上。本文(wen)通訊作(zuo)者(zhe)為(wei)清華(hua)大(da)學深(shen)圳國(guo)際(ji)研(yan)究(jiu)生院彌(mi)勝(sheng)利教(jiao)授(shou)。第(di)壹作(zuo)者(zhe)為(wei)清華(hua)大(da)學深(shen)圳國(guo)際(ji)研(yan)究(jiu)生院2023級(ji)博(bo)士生(sheng)趙笑(xiao)宇。該(gai)工(gong)作(zuo)得(de)到了國(guo)家(jia)自(zi)然(ran)科(ke)學基金(jin)委(wei)和(he)深(shen)圳市(shi)發展和(he)改(gai)革(ge)委(wei)員(yuan)會戰略(lve)性新興(xing)產(chan)業發展專項(xiang)資金(jin)扶(fu)持(chi)計(ji)劃(hua)的支持(chi)。

在(zai)該(gai)項(xiang)工(gong)作(zuo)中，團(tuan)隊利(li)用(yong)PDMS-NdFeB混合(he)物(wu)所(suo)制備的像(xiang)素點與(yu)矽膠(jiao)薄(bo)膜(mo)之(zhi)間(jian)基於倫(lun)敦(dun)色(se)散(san)力(li)可(ke)逆粘附(fu)作(zuo)用(yong)，通過(guo)運(yun)用旋(xuan)塗(tu)、打(da)孔(kong)、充(chong)磁的方(fang)法建(jian)立(li)了磁性像素點的基本單(dan)元庫。根據預期變(bian)形(xing)設計(ji)結(jie)構的磁分(fen)布(bu)，進(jin)而(er)基於粘(zhan)貼(tie)組裝(zhuang)的簡(jian)易(yi)方(fang)式構建(jian)了(le)具備重(zhong)編(bian)程能(neng)力(li)的磁驅(qu)動柔性驅(qu)動器，如(ru)圖1所(suo)示(shi)。

圖1 像(xiang)素化組裝(zhuang)磁控柔性驅(qu)動器

團(tuan)隊構(gou)建(jian)了(le)多(duo)樣化功(gong)能(neng)的磁驅(qu)動柔性驅(qu)動器，實(shi)現(xian)了(le)折(zhe)紙、剪(jian)紙、圖案(an)化變(bian)形(xing)（圖2），以(yi)及六(liu)爪(zhao)抓取(qu)、樹(shu)葉飄動、章(zhang)魚遊泳(yong)、蠕蟲蠕動等仿生(sheng)運(yun)動（圖3）。

圖2 具備不(bu)同(tong)磁分(fen)布(bu)的磁控柔性驅(qu)動器在(zai)磁場(chang)響應下的變(bian)形(xing)

圖3 多(duo)種運(yun)動模式(shi)的仿生(sheng)磁控驅(qu)動器

隨(sui)後(hou)團(tuan)隊將(jiang)微(wei)流控功能(neng)模塊(kuai)集成(cheng)到矽膠(jiao)基底層，應用於微(wei)流(liu)控芯片(pian)的開(kai)關(guan)閥控制、芯片(pian)曲率調節(jie)、流體混合(he)、動態微(wei)流控芯片(pian)結(jie)構(gou)的構(gou)建(jian)，並(bing)開(kai)發了壹款(kuan)液態藥(yao)物(wu)遞送(song)的磁驅(qu)動爬行(xing)機器(qi)人。該機器人結合(he)毒(du)牙式微(wei)針(zhen)，具備體(ti)內(nei)定點藥(yao)物(wu)釋放(fang)的應用潛(qian)力(li)，如圖4所(suo)示(shi)。該微(wei)針(zhen)陣列(lie)由摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)microArch® S230（精(jing)度(du)：2μm）制備完(wan)成(cheng)，12根(gen)微針(zhen)均勻(yun)分(fen)布(bu)在(zai)圓環(huan)基底上，單個(ge)針(zhen)體呈(cheng)圓錐形(xing)毒牙狀，底部直(zhi)徑(jing)為(wei)250μm，高(gao)度為(wei)450 μm，SEM圖像(xiang)顯示(shi)了微(wei)針(zhen)的毒(du)牙狀形(xing)貌（圖4g）。

圖4 磁驅(qu)動液態藥(yao)物(wu)遞送(song)機(ji)器人

結論：本研(yan)究(jiu)提出了(le)壹種(zhong)基於像(xiang)素化組裝(zhuang)的磁控柔性驅(qu)動器的制備工(gong)藝(yi)，建(jian)立(li)了磁性像素點所(suo)構成(cheng)的基本單(dan)元庫，通過(guo)粘貼(tie)組裝(zhuang)的方(fang)式構建(jian)具備各(ge)類可(ke)重編(bian)程磁分(fen)布(bu)的結(jie)構。這些結構展現了(le)多(duo)樣化、可(ke)拓展的變(bian)形(xing)與仿生(sheng)運(yun)動，同(tong)時(shi)為(wei)微流(liu)控功能(neng)模塊(kuai)的集成(cheng)提供了(le)接(jie)口(kou)，從而(er)在(zai)磁場(chang)驅(qu)動下實(shi)現(xian)了(le)開關(guan)閥、曲率控制、流體(ti)混合(he)、動態三維(wei)微流(liu)控結構和(he)液體輸(shu)送(song)機(ji)器人等應用。然而(er)，為(wei)實(shi)現(xian)更廣(guang)泛(fan)的應用，還(hai)需(xu)要(yao)解(jie)決(jue)壹些(xie)限(xian)制因素：利用(yong)自(zi)動化設備來(lai)取(qu)代(dai)繁(fan)瑣的手(shou)工(gong)裝(zhuang)配；提高(gao)像素的精(jing)度(du)，並(bing)實(shi)現(xian)批(pi)量(liang)生產(chan)；通過(guo)更精(jing)密(mi)的磁驅(qu)動平(ping)臺(tai)實(shi)現(xian)復(fu)雜任(ren)務中的高(gao)精(jing)度(du)磁場(chang)操縱(zong)等(deng)。

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https://doi.org/10.1002/smll.202310009