微型軟體機(jī)器人可以主動改變自身的形狀以實(shí)現(xiàn)更加靈活的運(yùn)動和操作,因而十分擅長在小尺寸且空間受限的環(huán)境中工作，這一獨(dú)特的優(yōu)勢將使得他們被廣泛地運(yùn)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。磁驅(qū)動是目前控制軟體機(jī)器人最流行的方法之一，因?yàn)榇膨?qū)動具備可以遠(yuǎn)程無線控制、響應(yīng)快速且易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢。然而由于制造技術(shù)受限，目前大多數(shù)磁性軟體機(jī)器人是由翻模鑄造，通常需要繁瑣及耗時的制作步驟且局限于2D結(jié)構(gòu)，因而功能簡單且單一。
3D打印技術(shù)為打破這種局限提供了可能。立體光固化3D打印技術(shù)（Vat Photopolyerization，簡稱VP）具有高精度、高分辨率、快速成型等優(yōu)點(diǎn)。通過立體光固化技術(shù)，3D打印添加了磁性顆粒填料的彈性樹脂，可以實(shí)現(xiàn)微型磁性軟體機(jī)器人的快速整體成型。然而在普通的立體光固化平臺上，如果使用納米尺度的磁性顆粒填料，磁性顆粒會對樹脂基質(zhì)的光吸收造成很大的干擾。如果使用粒徑較大的微米尺度磁性顆粒填料，雖然對光吸收干擾較小，但是磁性顆粒會快速沉降到容器底部，這將導(dǎo)致磁性填料在打印部件中的分布不均勻，甚至導(dǎo)致打印無法完成。因此，大多數(shù)前期研究只使用納米磁性顆粒作為磁性填料，同時保持較低的載量（<1%) 來確保磁性復(fù)合材料能夠成型，然而此類材料打印的微型機(jī)器人不能產(chǎn)生大的磁力用以驅(qū)動微型結(jié)構(gòu)的形變，這些機(jī)器人大多只能實(shí)現(xiàn)剛性移動，通常也需要在液體環(huán)境中，利用液體的潤滑特性與浮力來減少運(yùn)動的阻力。
圖1：循環(huán)立體光固化（CVP）3D打印技術(shù)：a) 樹脂循環(huán)系統(tǒng)示意圖；b) 普通循環(huán)立體光固化（VP）與CVP打印的樣品對比，Bottom代表這部分首先打印，Top代表這部分最后打；iii & iv 分別是i & ii 中虛線部分的橫截面；c) b 中樣品不同部位的密度對比；d) b中樣品Bottom 和 Top 部位中鐵元素（Fe）和鍶元素（Sr）的分布對比。
圖2：CVP的特性分析: a) 相近尺寸的鍶鐵氧體（SrFe12O19）、氧化鐵（Fe3O4）和銣鐵硼（NdFeB）顆粒的吸收光譜；b)不同尺寸鍶鐵氧體（SrFe12O19）顆粒的吸收光譜；c)不同尺寸鍶鐵氧體（SrFe12O19）顆粒在樹脂中的下降速率；d)復(fù)合樹脂在不同剪切速率下的粘度;e)600~900 s-1的平均剪切速率；f)不同磁性顆粒含量樣品（CVP）的應(yīng)力應(yīng)變圖；g)不同磁性顆粒含量樣品（CVP）的楊氏模量；h)不同磁性顆粒含量樣品（CVP）的磁滯回線；i-k) CVP打印的微型結(jié)構(gòu)；k) 磁性彈簧的線徑為300微米，外徑為900微米。
微型磁性軟體機(jī)械爪的爪子部分與基座為懸臂梁結(jié)構(gòu)（圖3a），當(dāng)磁鐵靠近機(jī)械爪底部的時候，爪子被拉向靠近磁鐵，此時爪子張開；當(dāng)磁鐵被移走時，爪子自身的彈性將使爪子復(fù)位，此時爪子處于關(guān)閉狀態(tài)。傳統(tǒng)的機(jī)械爪是用來抓取固體物品，然而當(dāng)本文的機(jī)械爪表面覆蓋上一層超疏水涂層時，機(jī)械爪不僅可以用來抓取固體物品（圖3d），更重要的是可以用來抓取液滴（圖3b）。此外，該機(jī)械爪還可以用來融合liquid marble. Liquid marble 是在液滴的表面覆蓋了一層由超疏水顆粒形成的膜，由于這層膜的存在，使得liquid marble之間的融合非常困難。目前的做法是將兩個liquid marble以一定的角度高速碰撞，這種方法非常不容易控制，liquid marble經(jīng)；ハ鄰楅_；另一種方法是使用高壓，利用電荷的相互吸引促使liquid marble的融合，但是這需要上千伏的電壓，容易引起安全事故。本文的機(jī)械爪可以同時抓起兩個liquid marble，通過擠壓的方式將其融合（圖3c），非常的簡單高效。該機(jī)械爪的最大開合角度為35°，開合速度為8.4°/s，每個爪子可以提供約4.7mN的力，可以抓起3~50微升的液滴和0.958g的固體物品，并在1萬次開合后仍能正常工作。
圖3：磁性軟體機(jī)械爪：a）機(jī)械爪的工作原理；b）機(jī)械爪抓取并移動液滴；c)機(jī)械爪同時抓起兩個marble,通過擠壓使之融合；d）機(jī)械爪抓取普通的物體。
圖4：非栓系磁性微型機(jī)器人：a）毛毛蟲機(jī)器人 ；b）木馬機(jī)器人；c）毛毛蟲機(jī)器人的運(yùn)動原理；d）毛毛蟲機(jī)器人推動一個液滴；e) 毛毛蟲機(jī)器人將一個液滴射向另一個液滴，使之融合；f) 木馬機(jī)器人同時推動兩個液滴；g)毛毛蟲機(jī)器人的步幅；h)木馬機(jī)器人的步幅；i）水母機(jī)器人以及它的磁化方向；j) 水母機(jī)器人在水里向上游動。
圖5：水下磁性微型機(jī)器人：a）螺旋機(jī)器人的磁化方向以及其沿著方形路徑的移動；b) 小魚機(jī)器人的磁化方向以及其沿著Z路徑的移動。
圖6：可進(jìn)行體外診斷的磁性微型軟體機(jī)器人自動化控制平臺：a）自動化控制平臺示意圖；b）在平臺上對碳青霉烯類抗生素耐藥性進(jìn)行檢測的操作程序：i-ii：放置反應(yīng)緩沖液滴；iii-iv：放置樣品緩沖液滴；v：從培養(yǎng)基上提取細(xì)菌；vi：將細(xì)菌放入樣品緩沖液的液滴中；vii-ix：放置毛毛蟲機(jī)器人于反應(yīng)平臺上的適當(dāng)位置；x：毛毛蟲機(jī)器人在磁場的驅(qū)動下推動液滴進(jìn)行融合；xi-xii：使用過的毛毛蟲機(jī)器人被丟棄在指定位置；xiii：在液滴內(nèi)部進(jìn)行攪拌，保證液滴的充分融合；xiv-xv: 蓋子罩住液滴；xvi：充分反應(yīng)1小時后；c）檢測的結(jié)果映射到CIE 1931色彩空間，有耐藥性的細(xì)菌在+區(qū)域，沒有耐藥性的細(xì)菌在-區(qū)域；d）8種細(xì)菌的檢測結(jié)果與傳統(tǒng)方法得到的結(jié)果對比。
原文鏈接：
Magnetic Soft Millirobots 3D Printed by Circulating Vat Photopolymerization to Manipulate Droplets Containing Hazardous Agents for In Vitro Diagnostics
Aiwu Zhou,Changyu Xu,Pojchanun Kanitthamniyom,Chelsea Shan Xian Ng,Gerard Joseph Lim,Wen Siang Lew,Shawn Vasoo,Xiaosheng Zhang,Guo Zhan Lum,Yi Zhang
Advanced Materials
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200061
下載：Magnetic Soft Millirobots 3D Printed by Circulating Vat Photopolymerization to Manipulate Droplets Containing Hazardous Agents for In Vitro Diagnostics
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