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變形能力的柔性復合材料制備獲得，在外加磁場的驅(qū)動、控制、引導下，可實現(xiàn)非接觸式的連續(xù)形變、靈活運動、輸運貨物等功能。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、通過電信號可實現(xiàn)精準控制等優(yōu)勢，近年來在生物醫(yī)療領域展現(xiàn)了廣闊的應用前景,也逐漸成為了學科交叉和前沿探索的研究熱點。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(qū)動器的制備工藝，可應用于低成本、可回收、可重編程的磁控驅(qū)動器的構(gòu)建，實現(xiàn)定制化結(jié)構(gòu)變形與仿生運動（抓取、游泳、蠕動等），并集成微流控功能模塊可用于開關閥控制、曲率調(diào)節(jié)、動態(tài)芯片結(jié)構(gòu)與液體藥物輸送機器人等。

相關研究成果以“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深圳國際研究生院彌勝利教授。第一作者為清華大學深圳國際研究生院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，團隊利用PDMS-NdFeB混合物所制備的像素點與硅膠薄膜之間基于倫敦色散力可逆粘附作用，通過運用旋涂、打孔、充磁的方法建立了磁性像素點的基本單元庫。根據(jù)預期變形設計結(jié)構(gòu)的磁分布，進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

團隊構(gòu)建了多樣化功能的磁驅(qū)動柔性驅(qū)動器，實現(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)動器在磁場響應下的變形

圖3 多種運動模式的仿生磁控驅(qū)動器

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關閥控制、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)動爬行機器人。該機器人結(jié)合毒牙式微針，具備體內(nèi)定點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)動下實現(xiàn)了開關閥、曲率控制、流體混合、動態(tài)三維微流控結(jié)構(gòu)和液體輸送機器人等應用。然而，為實現(xiàn)更廣泛的應用，還需要解決一些限制因素：利用自動化設備來取代繁瑣的手工裝配；提高像素的精度，并實現(xiàn)批量生產(chǎn)；通過更精密的磁驅(qū)動平臺實現(xiàn)復雜任務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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