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動(dòng)器

更新時(shí)間：2024-03-11

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磁控柔性驅動(dòng)器通常由具備磁響應變形能力的柔性復合材料制備獲得，在外加磁場(chǎng)的驅動(dòng)、控制、引導下，可實(shí)現非接觸式的連續形變、靈活運動(dòng)、輸運貨物等功能。磁場(chǎng)驅動(dòng)憑借其中低頻磁場(chǎng)安全性高、可穿透人體組織而不發(fā)生明顯衰減、通過(guò)電信號可實(shí)現精準控制等優(yōu)勢，近年來(lái)在生物醫療領(lǐng)域展現了廣闊的應用前景,也逐漸成為了學(xué)科交叉和前沿探索的研究熱點(diǎn)。然而，傳統的磁控柔性驅動(dòng)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動(dòng)器。

近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院彌勝利教授團隊報道了一種像素組裝式的磁控柔性驅動(dòng)器的制備工藝，可應用于低成本、可回收、可重編程的磁控驅動(dòng)器的構建，實(shí)現定制化結構變形與仿生運動(dòng)（抓取、游泳、蠕動(dòng)等），并集成微流控功能模塊可用于開(kāi)關(guān)閥控制、曲率調節、動(dòng)態(tài)芯片結構與液體藥物輸送機器人等。

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(huì )戰略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專(zhuān)項資金扶持計劃的支持。

在該項工作中，團隊利用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(guò)運用旋涂、打孔、充磁的方法建立了磁性像素點(diǎn)的基本單元庫。根據預期變形設計結構的磁分布，進(jìn)而基于粘貼組裝的簡(jiǎn)易方式構建了具備重編程能力的磁驅動(dòng)柔性驅動(dòng)器，如圖1所示。

圖1 像素化組裝磁控柔性驅動(dòng)器

團隊構建了多樣化功能的磁驅動(dòng)柔性驅動(dòng)器，實(shí)現了折紙、剪紙、圖案化變形（圖2），以及六爪抓取、樹(shù)葉飄動(dòng)、章魚(yú)游泳、蠕蟲(chóng)蠕動(dòng)等仿生運動(dòng)（圖3）。

圖2 具備不同磁分布的磁控柔性驅動(dòng)器在磁場(chǎng)響應下的變形

圖3 多種運動(dòng)模式的仿生磁控驅動(dòng)器

隨后團隊將微流控功能模塊集成到硅膠基底層，應用于微流控芯片的開(kāi)關(guān)閥控制、芯片曲率調節、流體混合、動(dòng)態(tài)微流控芯片結構的構建，并開(kāi)發(fā)了一款液態(tài)藥物遞送的磁驅動(dòng)爬行機器人。該機器人結合毒牙式微針，具備體內定點(diǎn)藥物釋放的應用潛力，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(gè)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 磁驅動(dòng)液態(tài)藥物遞送機器人

結論：本研究提出了一種基于像素化組裝的磁控柔性驅動(dòng)器的制備工藝，建立了磁性像素點(diǎn)所構成的基本單元庫，通過(guò)粘貼組裝的方式構建具備各類(lèi)可重編程磁分布的結構。這些結構展現了多樣化、可拓展的變形與仿生運動(dòng)，同時(shí)為微流控功能模塊的集成提供了接口，從而在磁場(chǎng)驅動(dòng)下實(shí)現了開(kāi)關(guān)閥、曲率控制、流體混合、動(dòng)態(tài)三維微流控結構和液體輸送機器人等應用。然而，為實(shí)現更廣泛的應用，還需要解決一些限制因素：利用自動(dòng)化設備來(lái)取代繁瑣的手工裝配；提高像素的精度，并實(shí)現批量生產(chǎn)；通過(guò)更精密的磁驅動(dòng)平臺實(shí)現復雜任務(wù)中的高精度磁場(chǎng)操縱等。

原文鏈接：

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

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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動(dòng)器