《科学·先进》交联微致动器网络制成的磁性软微型机械水凝胶

【科研摘要】

整体尺寸小于 100 μm 的软无束缚微型机器能够为未来的生物医学和芯片上的器官应用提供多样化的编程形状转换和功能。然而，由于缺乏对微执行器可编程性的控制，这种机器的制造受到了阻碍。为了应对此类挑战，马克斯·普朗克智能系统研究所Hakan Ceylan, Wenqi Hu和Metin Sitti教授团队使用双光子聚合通过三维 (3D) 打印软质或刚性聚合物微结构或链接来选择性地连接基于 Janus 微粒的磁性微致动器。

随后，团队通过施加基于磁场的扭矩，通过表面滚动和旋转到所需位置和方向，将每个微致动器定位在所需位置，然后 3D 打印软或刚性链接以与其他临时固定的微致动器连接。链接的 2D 微致动器网络表现出编程的 2D 和 3D 形状变换，不受束缚的无肢和有肢微型机器原型表现出各种用于表面运动的机器人步态。这里介绍的制造策略可以实现细胞尺度的软微机械设计和应用。相关论文以题为Magnetic soft micromachines made of linked microactuator networks发表在《Science Advances》上。

【主图导读】

图 1 软微型机械制造策略。

图 2 制造的水凝胶悬臂梁的表征。

图 3 软机器人粒子链。

图 4 具有 2D 和 3D 形状变形的软机器人 2D 粒子网络。

图 5 双腿软微型机器人演示和四面体阵列的制造，用于未来的 3D 软微型机器配置。

【总结】

磁性球形 Janus 粒子用于根据其磁性形状各向异性对每个微致动器的磁化分布进行编程，并且它们作为构建块以形成软水凝胶微机械以实现可编程的形状变换。制造速度受到每个微执行器的一对一串行组装程序和连接微执行器的多步程序的限制。然而，可以通过使用其他组装方法（例如电场）或使用可变构建块来减轻这种限制，这些构建块可以合成为不同的形状，例如立方体、棒、椭圆体、多面体和不同图案的粒子。为了给制造的软微机器添加更多功能，可以将多种刺激响应材料或方法集成在一起，以同时进行驱动、传感和货物输送。所提出的使用双光子聚合的分层组装策略可以实现构建块的 3D 配置，这可以产生更通用的形状变形和功能。作为潜在的未来应用，具有 2D/3D 形状变换的制造微致动器网络可用于组织工程和伤口愈合的主动形状变形和可重构细胞外基质，以及用于操纵脆弱微物体（如细胞）的无线软微夹持器。此外，这种软微机械设计和制造过程可以扩展到生物相容性磁性材料，例如铁磁性铁铂 (FePt) 纳米颗粒和 Janus 微粒，用于未来的生物医学应用。

参考文献：

Science Advances 04 Jun 2021:

Vol. 7, no. 23, eabe8436

DOI: 10.1126/sciadv.abe8436

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