3D納米制造的軟體微型機(jī)器人，超靈敏彈簧作為板載傳感器和執(zhí)行器

微尺度生物和特定的活動(dòng)細(xì)胞利用基于蛋白質(zhì)的彈簧狀響應(yīng)結(jié)構(gòu)來(lái)感知、抓取和移動(dòng)。在人造微機(jī)械上實(shí)現(xiàn)這種生物機(jī)械傳導(dǎo)功能，以用于單細(xì)胞操作具有挑戰(zhàn)性，這是由于需要一種生物適用的納米尺度彈簧系統(tǒng)，并對(duì)皮牛頓級(jí)別（piconewton-scale）的力具有足夠大且可編程的應(yīng)變響應(yīng)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、德國(guó)開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)（Chemnitz University of Technology）、德累斯頓工業(yè)大學(xué)（Dresden University of Technology）等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Nature Nanotechnology 期刊上發(fā)表了題為“3D nanofabricated soft microrobots with super-compliant picoforce springs as onboard sensors and actuators”的論文，提出了一種具有皮牛級(jí)力靈敏度的超順應(yīng)性納米結(jié)構(gòu)彈簧系統(tǒng)（皮牛級(jí)彈簧），可通過(guò)3D納米加工技術(shù)集成到單細(xì)胞尺度的功能性軟體微機(jī)械中。研究人員展示了這些皮牛級(jí)彈簧組件作為能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的有效設(shè)計(jì)可編程性，可用于集成構(gòu)建定制的軟體微機(jī)械，并在單細(xì)胞尺度上具有板載傳感和執(zhí)行功能，可用于微型機(jī)器人的抓取和運(yùn)動(dòng)。將有源軟體彈簧集成到3D納米制造中，為創(chuàng)建與生物實(shí)體無(wú)干擾交互的生物相容性軟體微型機(jī)器人提供了一條途徑。

該皮牛級(jí)彈簧組件是通過(guò)彈性體光刻膠復(fù)合物的光交聯(lián)制造的（圖1a）。光刻膠包含一種提供彈性的彈性體、一種提供生物相容性和與水溶液氫鍵親和力的水凝膠，以及嵌入的提供磁化的約20 nm的超順磁納米顆粒（MNP）。圖1b顯示了所制造的皮牛級(jí)彈簧示例的高分辨率3D重建圖像。具有懸臂形、弧形、螺旋形和鋸齒形等各種幾何形狀的皮牛級(jí)彈簧組件可進(jìn)行3D納米制造，以滿(mǎn)足不同軟體微機(jī)械的順應(yīng)性和復(fù)雜性要求，從而感知和施加皮牛級(jí)的力（圖1c和1d）。

圖1 具有可編程彈性分布的基于皮牛級(jí)彈簧的微機(jī)械的制造

研究人員利用光學(xué)阱基于經(jīng)典懸臂梁法表征材料的彈性（圖2a和2b）。在相同的捕獲功率下，以較低激光功率制造的懸臂梁呈現(xiàn)出較高的偏轉(zhuǎn)。如圖2c所示，當(dāng)激光功率從5.00 mW增加到6.25 mW時(shí)，彈性材料的楊氏模量已經(jīng)增加了5倍以上，并在增加到25 mW時(shí)其值增加了200倍以上，這使得通過(guò)局部編程激光功率對(duì)皮牛級(jí)彈簧材料的彈性進(jìn)行寬范圍編程成為可能。

圖2 基于懸臂梁方法的皮牛級(jí)彈簧材料的力學(xué)表征

得益于其力指示器功能，皮牛級(jí)彈簧還可以提供輕柔的力，并可根據(jù)其變形程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以啟動(dòng)復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作。研究人員展示了一種長(zhǎng)度為40 μm的磁性微夾具，它使用皮牛級(jí)彈簧作為彈性自閉合末端執(zhí)行器進(jìn)行單細(xì)胞操作，如圖3a和3b所示。其皮牛級(jí)彈簧采用弧形，可在有限的長(zhǎng)度內(nèi)獲得更高的角偏轉(zhuǎn)。在高磁場(chǎng)（例如16 mT）下，磁扭矩將磁性微夾具指狀物的易磁軸與磁場(chǎng)方向?qū)R，從而打開(kāi)微夾具。當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，它逐漸關(guān)閉。

圖3 用于啟動(dòng)對(duì)細(xì)胞物體抓取動(dòng)作的超順應(yīng)性皮牛級(jí)彈簧

與傳統(tǒng)的彈簧相似，本研究提出的皮牛級(jí)彈簧也可以通過(guò)編程釋放存儲(chǔ)的能量來(lái)為機(jī)器提供動(dòng)力。圖4a顯示的是微振蕩器陣列的驅(qū)動(dòng)。如圖4b所示，磁彈性材料使人們能夠構(gòu)建具有板載執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)雜的基于皮牛級(jí)彈簧的微型機(jī)器人，例如，帶有螺旋形彈簧的全磁性“微型企鵝”（長(zhǎng)度為20 μm）和帶有鋸齒形皮牛級(jí)彈簧的部分磁性“微型龜”（長(zhǎng)度為50?μm）。這些微型機(jī)器人被設(shè)計(jì)為利用其可移動(dòng)磁性部件作為受外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的彈簧卷繞器。圖4c、4f分別顯示了微型企鵝和微型龜?shù)淖冃文Ｊ健?/p>

圖4 驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人的超順應(yīng)性皮牛級(jí)彈簧

皮牛級(jí)彈簧系統(tǒng)通過(guò)將磁勢(shì)能穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為動(dòng)能來(lái)抵消流體耗散，從而成為軟體微型機(jī)器人的板載執(zhí)行器。圖5a說(shuō)明了用于控制微型企鵝的方向切換策略。作為一種軟體執(zhí)行器，皮牛級(jí)彈簧還可以通過(guò)僅進(jìn)行二維形態(tài)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，而無(wú)需平面外運(yùn)動(dòng)。圖5c和5d顯示了一種用于控制部分磁性微型龜?shù)捻樞蜻\(yùn)動(dòng)策略。

圖5 基于皮牛級(jí)彈簧的微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)

綜上所述，這項(xiàng)研究展示了具有可編程彈性分布的基于皮牛級(jí)彈簧的軟體微型機(jī)器人的3D納米制造。皮牛級(jí)彈簧可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的變形，可直接用于控制生物條件下單細(xì)胞尺度的微機(jī)械的復(fù)雜動(dòng)作。不同配置的皮牛級(jí)彈簧可以處理不同的任務(wù)。利用皮牛級(jí)彈簧變形與其輸出彈性力之間的相關(guān)性，研究人員開(kāi)發(fā)了一種用于操縱單細(xì)胞的具有可調(diào)節(jié)夾持力的純機(jī)械微夾具。除了對(duì)抓取動(dòng)作的開(kāi)關(guān)控制之外，皮牛級(jí)彈簧系統(tǒng)還能夠?yàn)椴皇苁`的微型機(jī)器人持續(xù)提供動(dòng)力。所提出的皮牛級(jí)彈簧具有超低力變形，有望用于構(gòu)建片上AFM、微加速器和微生物活檢鑷等新型柔性微機(jī)械。

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https://doi.org/10.1038/s41565-023-01567-0