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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(qū)動(dòng)器
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(dòng)器
更新時(shí)間:2024-03-11
點(diǎn)擊次數(shù):367
磁控柔性驅(qū)動(dòng)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(chǎng)的驅(qū)動(dòng)、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(dòng)、輸運(yùn)貨物等功能。磁場(chǎng)驅(qū)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(hào)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)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(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(qū)動(dòng)器。
近日,
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院彌勝利教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種像素組裝式的磁控柔性驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)定制化結(jié)構(gòu)變形與仿生運(yùn)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(diào)節(jié)、動(dòng)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(guó)際研究生院彌勝利教授。第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生趙笑宇。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和深圳
市發(fā)展和改革委員會(huì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金扶持計(jì)劃的支持。
在該項(xiàng)工作中,團(tuán)隊(duì)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(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(kù)。根據(jù)預(yù)期變形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的磁分布,進(jìn)而基于粘貼組裝的簡(jiǎn)易方式構(gòu)建了
具備重編程能力的磁驅(qū)動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器
,如圖1所示。
圖1 像素化組裝磁控柔性驅(qū)動(dòng)器
團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了
多樣化功能的磁驅(qū)動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器
,實(shí)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)(圖3)。
圖2 具備不同磁分布的磁控柔性驅(qū)動(dòng)器在磁場(chǎng)響應(yīng)下的變形
圖3 多種運(yùn)動(dòng)模式的仿生磁控驅(qū)動(dòng)器
隨后團(tuán)隊(duì)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(kāi)關(guān)閥控制、芯片曲率調(diào)節(jié)、流體混合、動(dòng)態(tài)微流控芯片結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,并開(kāi)發(fā)了一款液態(tài)藥物遞送的磁驅(qū)動(dòng)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(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(qū)動(dòng)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(dòng)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(kù),通過(guò)粘貼組裝的方式構(gòu)建具備各類(lèi)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(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(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)閥、曲率控制、流體混合、動(dòng)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(dòng)化設(shè)備來(lái)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(guò)更精密的磁驅(qū)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)復(fù)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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