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  哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院韓曉軍課題組和奧胡斯大學(xué)生物化學(xué)工程Menglin Chen課題組將熔融電紡絲書寫技術(shù)（MEW）、微成型和切削技術(shù)技術(shù)相結(jié)合，成功地批量化制備出可人工設(shè)計(jì)的磁性微機(jī)器人。在外部磁場(chǎng)下，實(shí)現(xiàn)了可控的滾動(dòng)和推進(jìn)運(yùn)動(dòng)，并展現(xiàn)出優(yōu)異的貨物操縱和運(yùn)輸能力。

  微型機(jī)器人的研發(fā)對(duì)微型無人飛行器、未知環(huán)境檢查和探索、微創(chuàng)醫(yī)療手術(shù)及靶向給藥等方面具有重要的意義。目前的微機(jī)器人可由超聲波、光、熱、氣泡和磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。其中磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微機(jī)器人由于其高度可控，引起了人們更多關(guān)注。磁性螺旋、納米線和膠體多功能馬達(dá)均被報(bào)道。精子模板法、磁控濺射沉積法和自卷曲法也是制備磁性馬達(dá)常用方法。而新一代馬達(dá)要求特定的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，因而可結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的馬達(dá)制造新策略（例如掠角沉積技術(shù)和3D激光打印技術(shù)）被提出來。普通用戶無法利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人的制造。因此，需要一種簡(jiǎn)單且廉價(jià)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人的設(shè)計(jì)及制備。

  熔融靜電紡絲書寫技術(shù)（MEW）融合了熔體靜電紡絲和3D打印技術(shù)，相比于與傳統(tǒng)的3D打印，MEW可以得到小2個(gè)數(shù)量級(jí)的微米纖維。MEW所制備的產(chǎn)品可作為生物相容性支架，用于細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程。MEW實(shí)現(xiàn)了可編程的靜電紡絲，并以批量生產(chǎn)的方式沉積在特定部位，纖維直徑和纖維形狀均顯示出高度的可控性，可在計(jì)算機(jī)控制下設(shè)計(jì)復(fù)雜的形狀或幾何形狀。在科研中，切片機(jī)不僅可產(chǎn)生超薄切片，用于獲得光學(xué)或電子顯微圖像，而且還可用于制造微納米材料，被命名為“切削技術(shù)”，可用于制備單獨(dú)的納米線或陣列、量子點(diǎn)和聚合物納米圓筒。將MEW技術(shù)與切削技術(shù)結(jié)合，其中MEW技術(shù)可以人工設(shè)計(jì)微纖維，而切削技術(shù)可將所設(shè)計(jì)的微纖維切成薄片，以批量制備微納米結(jié)構(gòu)。

  哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓曉軍課題組和奧胡斯大學(xué)Menglin Chen課題組提出了使用成本低和方法簡(jiǎn)單的MEW技術(shù)應(yīng)用于磁性微機(jī)器人制造的方法。MEW可以直接將聚己內(nèi)酯（PCL）融化打印出不對(duì)稱條狀PCL，以此不對(duì)稱PCL作為模板，制備不對(duì)稱聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道。而后，將通道填充PCL/Fe₃O₄混合物，固化后，將改磁性坯料脫模，通過切削技術(shù)得到蝌蚪狀的磁性微機(jī)器人。該微機(jī)器人通過無線動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)（推進(jìn)和滾動(dòng)），通過磁場(chǎng)的頻率、強(qiáng)度和方向可調(diào)節(jié)該微型機(jī)器人的速度和方向，并展現(xiàn)出優(yōu)異的貨物操縱和運(yùn)輸能力。

  研究者相信，MEW的使用使得橫截面形態(tài)可設(shè)計(jì)的微機(jī)器人的構(gòu)建成為可能。基于坯料的設(shè)計(jì)及精確微切削過程，該制造過程具有高度可重復(fù)性、低成本和批量生產(chǎn)的能力。在成型過程中引入具有不同功能的納米材料，可將微機(jī)器人設(shè)計(jì)為具有不同功能甚至多功能的仿生微機(jī)器人。MEW、微成型和切削技術(shù)的聯(lián)用在制造通用微機(jī)器人方面擁有巨大潛力。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Sciecne 上。

圖1.磁性類蝌蚪微機(jī)器人的制造過程示意圖。PCL不對(duì)稱模板（A），聚二甲基硅氧烷（PDMS）不對(duì)稱通道（B）和PCL/Fe₃O₄不對(duì)稱微型機(jī)器人（C）的示意性制造工藝。

圖2. 聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道和磁性PCL/Fe₃O₄不對(duì)稱坯料的表征。（A）以不同打印速度制備的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(guān)系；（C）具有不同形狀非對(duì)稱PDMS通道橫截面的SEM圖像；（D）通道2的光學(xué)顯微鏡圖像；（E）以通道2為模板制備的磁性PCL/Fe₃O₄不對(duì)稱坯料的SEM圖像。打印速度值標(biāo)記在每個(gè)圖像上，單位為mm min^-1。

圖3. 類蝌蚪磁性微機(jī)器人的表征和可控制運(yùn)動(dòng)。（A）PCL/Fe₃O₄磁性微機(jī)器人SEM圖像，附帶C，O和Fe元素分布；PCL/Fe₃O₄磁性微機(jī)器人的局部放大SEM圖像（B）和EDX光譜分析（C）；在滾動(dòng)（D，E）和推進(jìn)（G，H）磁場(chǎng)（4 Hz，1.85 mT）下的微機(jī)器人的光學(xué)顯微鏡圖像和3D示意圖；微型機(jī)器人在滾動(dòng)（F）和推進(jìn)（I）磁場(chǎng)（12 Hz，1.85 mT）下運(yùn)動(dòng)的延時(shí)顯微鏡圖像。PCL/Fe₃O₄磁性微機(jī)器人在滾動(dòng)模式（J，K）和推進(jìn)模式（L，M）下，速度與磁場(chǎng)頻率、強(qiáng)度的關(guān)系。

圖4. 類蝌蚪磁性微機(jī)器人在4 Hz和1.85 mT的磁場(chǎng)下運(yùn)載微球。（A）推進(jìn)模式下，通過頭部進(jìn)行單個(gè)貨物操縱；（B）滾動(dòng)模式下的多貨物運(yùn)輸。

  相關(guān)工作以“Melt Electrospinning Writing of Magnetic Microrobots”為題，發(fā)表在Advanced Sciecne (DOI: 10.1002/advs.202003177)上。哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓曉軍教授和丹麥奧胡斯大學(xué)Menglin Chen教授為論文共同通訊作者。

  原文鏈接：

  Yingchun Su et al. Melt Electrospinning Writing of Magnetic Microrobots. Advanced Science, 2020.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003177