目錄

1.MEW技術介紹

2.研究方法與結果

3.磁性機器人操縱貨物試驗

4.研究結論

1. MEW技術介紹

熔融靜電紡絲書寫(MEW)技術是熔體靜電紡絲與3D打印相結合的一種新興技術。與傳統(tǒng)3D打印技術相比，該方法可以實現(xiàn)亞微米纖維的精確定位，比3D打印技術小約2個數(shù)量級。這些產(chǎn)品作為生物相容性支架主要應用于細胞培養(yǎng)和組織工程。MEW實現(xiàn)了可編程靜電紡絲，在批量制備模式下，可以在纖維沉積位置、纖維直徑和纖維形狀方面表現(xiàn)出高水平的可控性。通過MEW技術，可以在計算機的自動控制下設計出復雜的形狀或幾何形狀。它被認為是“切割”的，可以獲得單個或陣列的金屬納米線、量子點、聚合物納米圓柱。新技術可以人工設計超細纖維，而切片技術可以將超細纖維切片制成納米或微結構。

2. 研究方法與結果

哈爾濱工業(yè)大學韓曉軍課題組和奧胡斯大學Menglin Chen課題組將這種經(jīng)濟有效且簡單的新方法應用于制造磁性微型機器人。MEW直接打印不對稱的聚己內酯(PCL)模板來制備聚二甲基硅氧烷(PDMS)通道。隨后，用PCL/Fe3O4混合物填充通道。凝固后，磁性不對稱坯料脫模，利用切割技術切割成蝌蚪狀的磁性微型機器人。不對稱的蝌蚪狀磁性微型機器人通過無線動態(tài)磁場實現(xiàn)推進和滾動運動。這種蝌蚪狀的微型機器人可以很好地控制操作和貨物運輸。制備工藝流程如圖1所示。

圖1 蝌蚪狀磁性微型機器人的制造工藝示意圖。聚己內酯(PCL)不對稱模板(A)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)不對稱通道(B)、PCL/Fe3O4不對稱微型機器人(C)。

為了制備不同型號的微型機器人，需要制備不同寬度和深度的PDMS通道。通過調節(jié)集電極速度，獲得不同直徑和高度的PCL模板，即可制作不同寬度和深度的PDMS通道。通過加快收集器,可減小 PDMS通道的寬度和深度。深度/寬度與收集器速度的關系按下式擬合。

圖2 聚二甲基硅氧烷(PDMS)通道和磁性聚己內酯(PCL)/Fe3O4不對稱坯料的表征。(A)：用0.9毫米的針以不同的打印速度制造的PDMS通道的橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。(B)：通道的寬度和深度與打印速度的關系。(C)：形狀不對稱PDMS通道橫截面的SEM圖像。(D)：通道2的光學顯微鏡圖像。(E) ：以通道2為模板制備的磁性PCL/Fe3O4不對稱坯料的SEM圖像。每幅圖像上均標明了速度值，單位為mm 。

圖3 蝌蚪狀磁性微型機器人的特性及可控制運動。(A)蝌蚪狀聚己內酯(PCL)/Fe3O4磁性微機器人的SEM圖像，元素C、O和Fe映射。蝌蚪狀PCL/Fe3O4微型機器人的放大SEM圖像(B)和EDX光譜(C)。微機器人在滾動(D,E)和推進(G,H)磁場(4 Hz, 1.85 mT)作用下的光學顯微鏡圖像和三維運動原理圖。微機器人在滾動(F)和推進(I)磁場(12hz, 1.85 mT)下運動的延時光學圖像。在滾動模式(J,K)和推進模式(L,M)下，蝌蚪狀微型機器人的速度與磁場頻率和強度的比較。

3.磁性機器人操縱貨物試驗

研究人員研究了使用磁推進的蝌蚪狀微型機器人操縱貨物的可能性。蝌蚪狀微型機器人和磷酸鈣(CaP)球狀貨物的前部輪廓用黑色虛線標記。一個貨物操作過程如圖4A所示。微型機接近球形貨物(直徑約89.8μm)，使貨物沿著設計的運動軌跡1進行高效操縱。由于蝌蚪狀微型機器人的頭部與水平線不平行，球狀的貨物丟失了。丟球后，這個蝌蚪狀的微型機器人被手動控制，用設計的2號路線再次接近球。由于球從指定位置偏移，第3部分被臨時更改為一個較小的半圓路徑，正如在21.94秒捕捉到的圖像所示。除了單一的貨物操作，滾動微型機器人還可以通過直線路線3一起滾動來實現(xiàn)多貨物運輸(圖4B)。multicargos以309.5m 的速度被移動535.4m。新技術制造的微型機器人在無線磁控下表現(xiàn)出了可控制的運動能力和貨物運輸能力。

圖4 蝌蚪狀微型機器人在4赫茲和1.85 mT的磁場下以兩種運動方式攜帶微球。(A)單次操縱貨物時，船首的推進方式。(B)多貨物運輸?shù)臐L動方式。

4.研究結論

韓曉軍教授和Menglin Chen以及他們的團隊成功地制造了磁性蝌蚪狀微型機器人，通過控制磁場實現(xiàn)滾動或推進運動。磁場的頻率、強度和方向可以方便地調節(jié)蝌蚪狀微型機器人的速度和方向。這種蝌蚪狀的微型機器人還可以在微環(huán)境中以高效的運動和精確的可控性將一件貨物或多件貨物運送到指定的目的地。新技術的發(fā)展使得構建具有可設計的截面形態(tài)的微型機器人成為可能。基于從鋼坯到微片的精密切削工藝，該制造工藝具有高度可重復性、低成本和大規(guī)模生產(chǎn)能力。重要的是，通過在成型過程中引入不同的功能納米材料，可以設計出具有不同功能甚至多功能的微型機器人，從而制造出具有生物靈感的微型機器人。新技術、微成型技術和剝皮技術的結合在制造多功能微型機器人方面具有巨大的潛力。

論文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003177

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