一種可用于跨尺度液滴操縱的磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人設(shè)計(jì)

對(duì)跨尺度液滴的多樣化操縱，在精細(xì)化學(xué)和生物醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用前景。從實(shí)用角度出發(fā)，有效的液滴操縱技術(shù)需要多功能集成及多尺度適用性。近年來(lái)，磁激勵(lì)憑借其遠(yuǎn)程可控、生物安全性好、對(duì)環(huán)境透射率和基底電荷不敏感等優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用于液滴操縱領(lǐng)域。然而，如何進(jìn)一步擴(kuò)展磁響應(yīng)液滴操縱的功能，并將多樣化的液滴操縱功能從微升尺度擴(kuò)展到納升尺度仍極具挑戰(zhàn)。

鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室胡衍雷教授團(tuán)隊(duì)及其合作者利用飛秒激光微納制造方法，制備了一種可用于跨尺度液滴操縱的磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了多樣化液滴操縱功能的有效集成，包括液滴的三維運(yùn)輸、合并、分裂、子液滴分發(fā)與按需釋放、攪拌以及遠(yuǎn)程加熱等。同時(shí)，這種操縱策略的高穩(wěn)定性賦予了其跨尺度液滴操縱能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)~3.2 nL 到 ~51.14 μL體積范圍內(nèi)液滴的操縱。

該工作于9月6日以“Magnetic Janus origami robot for cross-scale droplet omni-manipulation”為題發(fā)表于Nature Communications。

圖1.磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人及其多功能液滴操縱應(yīng)用

磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人的上下表面分別具有不同的潤(rùn)濕特性。如圖1所示，機(jī)器人上表面為超疏水低液滴黏附狀態(tài)，而下表面則為疏水高液滴黏附狀態(tài)。同時(shí)，機(jī)器人的上表面還設(shè)計(jì)了兩條折痕，以使機(jī)器人與液滴相接觸時(shí)，可以在毛細(xì)力的作用下自發(fā)包裹液滴。機(jī)器人整體輪廓、折痕和表面微納功能結(jié)構(gòu)的加工和改性均由秒激光掃描而成。機(jī)器人在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下通過(guò)翻滾主動(dòng)靠近并包裹水滴，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水滴的可控運(yùn)輸。除此之外，磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人還可以通過(guò)定向翻滾與折疊從大液滴中分發(fā)出子液滴。通過(guò)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度可以將分發(fā)的子液滴從機(jī)器人中擠出。機(jī)器人利用其特殊設(shè)計(jì)的超疏水外表面輕推水滴，可以實(shí)現(xiàn)子液滴的可控釋放分離。機(jī)器人也可以在磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)液體的可控混合，并結(jié)合其光熱特性實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加熱。

圖2.基于磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人的液滴攪拌、光熱攪拌以及多功能液滴操縱集成

如前所述，磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于商業(yè)化磁力攪拌機(jī)的攪拌及加熱功能。圖2的熒光分布圖清晰展示了攪拌過(guò)程中液滴的混合程度。除了能夠?qū)崿F(xiàn)水的快速混合之外，通過(guò)機(jī)器人的加熱攪拌功能還可以有效實(shí)現(xiàn)高粘度液體（甘油）的快速混合。加熱溫度可以達(dá)到80℃以上。

在實(shí)現(xiàn)多樣化液滴操縱的基礎(chǔ)上，磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人可以將多種液滴操縱功能有效集成，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的液滴操縱目標(biāo)。例如，機(jī)器人可以通過(guò)翻滾運(yùn)動(dòng)主動(dòng)靠近水滴并分發(fā)出一定體積的子液滴，通過(guò)定向運(yùn)輸將分發(fā)的子液滴與另一液滴合并，最終通過(guò)攪拌實(shí)現(xiàn)不同成分液滴的快速混合。這種多功能液滴操縱集成還能夠有效擴(kuò)展到納升尺度液滴上。

最后，作為概念驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人進(jìn)行表面修飾，并結(jié)合其多樣化的液滴操縱功能，成功實(shí)現(xiàn)了核酸的提取和純化（圖3）?？傊?，磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)跨尺度液滴操縱，對(duì)精細(xì)化工、醫(yī)療診斷和微流體技術(shù)等廣泛需要精確獲取和添加試劑、微液滴圖案化和快速微液滴反應(yīng)的領(lǐng)域具有重要意義。

圖3.基于磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人的核酸提取與純化應(yīng)用

工程科學(xué)學(xué)院蔣紹軍博士為論文第一作者。通訊作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡衍雷教授、吳東教授和香港理工大學(xué)王立秋教授。論文的合作者還包括中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)褚家如教授、李家文副教授、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所朱靈研究員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院沈佐君教授等。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等基金等項(xiàng)目的支持。

審核編輯：劉清