清華：基于像素化組裝的可重編程可集成微流控功能模塊的磁控柔性驅(qū)動器

更新時間：2024-03-11

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磁控柔性驅(qū)動器通常由具備磁響應(yīng)變形能力的柔性復(fù)合材料制備獲得，在外加磁場的驅(qū)動、控制、引導(dǎo)下，可實(shí)現(xiàn)非接觸式的連續(xù)形變、靈活運(yùn)動、輸運(yùn)貨物等功能。磁場驅(qū)動憑借其中低頻磁場安全性高、可穿透人體組織而不發(fā)生明顯衰減、通過電信號可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制等優(yōu)勢，近年來在生物醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景,也逐漸成為了學(xué)科交叉和前沿探索的研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的磁控柔性驅(qū)動器在制備后其磁分布也隨之確定，所以目前缺乏一種具備可重編程能力、能夠高效集成其他功能模塊的磁控柔性驅(qū)動器。

近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院彌勝利教授團(tuán)隊報道了一種像素組裝式的磁控柔性驅(qū)動器的制備工藝，可應(yīng)用于低成本、可回收、可重編程的磁控驅(qū)動器的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)定制化結(jié)構(gòu)變形與仿生運(yùn)動（抓取、游泳、蠕動等），并集成微流控功能模塊可用于開關(guān)閥控制、曲率調(diào)節(jié)、動態(tài)芯片結(jié)構(gòu)與液體藥物輸送機(jī)器人等。

相關(guān)研究成果以“Reprogrammable Magnetic Soft Actuators with Microfluidic Functional Modules via Pixel-Assembly"為題發(fā)表在《Small》上。本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院彌勝利教授。第一作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院2023級博士生趙笑宇。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委和深圳市發(fā)展和改革委員會戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金扶持計劃的支持。

在該項工作中，團(tuán)隊利用PDMS-NdFeB混合物所制備的像素點(diǎn)與硅膠薄膜之間基于倫敦色散力可逆粘附作用，通過運(yùn)用旋涂、打孔、充磁的方法建立了磁性像素點(diǎn)的基本單元庫。根據(jù)預(yù)期變形設(shè)計結(jié)構(gòu)的磁分布，進(jìn)而基于粘貼組裝的簡易方式構(gòu)建了具備重編程能力的磁驅(qū)動柔性驅(qū)動器，如圖1所示。

圖1 像素化組裝磁控柔性驅(qū)動器

團(tuán)隊構(gòu)建了多樣化功能的磁驅(qū)動柔性驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)了折紙、剪紙、圖案化變形（圖2），以及六爪抓取、樹葉飄動、章魚游泳、蠕蟲蠕動等仿生運(yùn)動（圖3）。

圖2 具備不同磁分布的磁控柔性驅(qū)動器在磁場響應(yīng)下的變形

圖3 多種運(yùn)動模式的仿生磁控驅(qū)動器

隨后團(tuán)隊將微流控功能模塊集成到硅膠基底層，應(yīng)用于微流控芯片的開關(guān)閥控制、芯片曲率調(diào)節(jié)、流體混合、動態(tài)微流控芯片結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，并開發(fā)了一款液態(tài)藥物遞送的磁驅(qū)動爬行機(jī)器人。該機(jī)器人結(jié)合毒牙式微針，具備體內(nèi)定點(diǎn)藥物釋放的應(yīng)用潛力，如圖4所示。該微針陣列由摩方精密microArch® S230（精度：2μm）制備完成，12根微針均勻分布在圓環(huán)基底上，單個針體呈圓錐形毒牙狀，底部直徑為250μm，高度為450 μm，SEM圖像顯示了微針的毒牙狀形貌（圖4g）。

圖4 磁驅(qū)動液態(tài)藥物遞送機(jī)器人

結(jié)論：本研究提出了一種基于像素化組裝的磁控柔性驅(qū)動器的制備工藝，建立了磁性像素點(diǎn)所構(gòu)成的基本單元庫，通過粘貼組裝的方式構(gòu)建具備各類可重編程磁分布的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了多樣化、可拓展的變形與仿生運(yùn)動，同時為微流控功能模塊的集成提供了接口，從而在磁場驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)了開關(guān)閥、曲率控制、流體混合、動態(tài)三維微流控結(jié)構(gòu)和液體輸送機(jī)器人等應(yīng)用。然而，為實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，還需要解決一些限制因素：利用自動化設(shè)備來取代繁瑣的手工裝配；提高像素的精度，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；通過更精密的磁驅(qū)動平臺實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)中的高精度磁場操縱等。

原文鏈接：

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

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