清华大学深圳国际研究生院弥胜利教授课题组《Small》：基于像素化组装的可重编程可集成微流控功能模块的磁控柔性驱动器
发布日期：2024-03-15
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磁控柔性驱动器通常由具备磁响应变形能力的柔性复合材料制备获得，在外加磁场的驱动、控制、引导下，可实现非接触式的连续形变、灵活运动、输运货物等功能。磁场驱动凭借其中低频磁场安全性高、可穿透人体组织而不发生明显衰减、通过电信号可实现精准控制等优势，近年来在生物医疗领域展现了广阔的应用前景,也逐渐成为了学科交叉和前沿探索的研究热点。然而，传统的磁控柔性驱动器在制备后其磁分布也随之确定，所以目前缺乏一种具备可重编程能力、能够高效集成其他功能模块的磁控柔性驱动器。
近日，清华大学深圳国际研究生院弥胜利教授团队报道了一种像素组装式的磁控柔性驱动器的制备工艺，可应用于低成本、可回收、可重编程的磁控驱动器的构建，实现定制化结构变形与仿生运动（抓取、游泳、蠕动等），并集成微流控功能模块可用于开关阀控制、曲率调节、动态芯片结构与液体药物输送机器人等。
相关研究成果以“Reprogrammable Magnetic Soft Actuators with Microfluidic Functional Modules via Pixel-Assembly”为题发表在《Small》上。本文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院弥胜利教授。第一作者为清华大学深圳国际研究生院2023级博士生赵笑宇。该工作得到了国家自然科学基金委和深圳市发展和改革委员会战略性新兴产业发展专项资金扶持计划的支持。
在该项工作中，团队利用PDMS-NdFeB混合物所制备的像素点与硅胶薄膜之间基于伦敦色散力可逆粘附作用，通过运用旋涂、打孔、充磁的方法建立了磁性像素点的基本单元库。根据预期变形设计结构的磁分布，进而基于粘贴组装的简易方式构建了具备重编程能力的磁驱动柔性驱动器，如图1所示。
图1 像素化组装磁控柔性驱动器
团队构建了多样化功能的磁驱动柔性驱动器，实现了折纸、剪纸、图案化变形（图2），以及六爪抓取、树叶飘动、章鱼游泳、蠕虫蠕动等仿生运动（图3）。
图2 具备不同磁分布的磁控柔性驱动器在磁场响应下的变形
随后团队将微流控功能模块集成到硅胶基底层，应用于微流控芯片的开关阀控制、芯片曲率调节、流体混合、动态微流控芯片结构的构建，并开发了一款液态药物递送的磁驱动爬行机器人。该机器人结合毒牙式微针，具备体内定点药物释放的应用潜力，如图4所示。该微针阵列由摩方精密microArch® S230（精度：2μm）制备完成，12根微针均匀分布在圆环基底上，单个针体呈圆锥形毒牙状，底部直径为250μm，高度为450 μm，SEM图像显示了微针的毒牙状形貌（图4g）。
图3 多种运动模式的仿生磁控驱动器
随后团队将微流控功能模块集成到硅胶基底层，应用于微流控芯片的开关阀控制、芯片曲率调节、流体混合、动态微流控芯片结构的构建，并开发了一款液态药物递送的磁驱动爬行机器人。该机器人结合毒牙式微针，具备体内定点药物释放的应用潜力，如图4所示。该微针阵列由摩方精密microArch® S230（精度：2μm）制备完成，12根微针均匀分布在圆环基底上，单个针体呈圆锥形毒牙状，底部直径为250μm，高度为450 μm，SEM图像显示了微针的毒牙状形貌（图4g）。
图4 磁驱动液态药物递送机器人
结论：本研究提出了一种基于像素化组装的磁控柔性驱动器的制备工艺，建立了磁性像素点所构成的基本单元库，通过粘贴组装的方式构建具备各类可重编程磁分布的结构。这些结构展现了多样化、可拓展的变形与仿生运动，同时为微流控功能模块的集成提供了接口，从而在磁场驱动下实现了开关阀、曲率控制、流体混合、动态三维微流控结构和液体输送机器人等应用。然而，为实现更广泛的应用，还需要解决一些限制因素：利用自动化设备来取代繁琐的手工装配；提高像素的精度，并实现批量生产；通过更精密的磁驱动平台实现复杂任务中的高精度磁场操纵等。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202310009
