運動是自然界的普遍現(xiàn)象，受其啟發(fā)，科研人員開發(fā)出了各種仿生微驅(qū)動器。其中，尺寸小、結(jié)構(gòu)及運動行為可控、可執(zhí)行復(fù)雜運動的驅(qū)動器在生物、醫(yī)學(xué)、材料和環(huán)境領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。基于聚合物材料的軟體微驅(qū)動器，在形狀、尺寸和成分等方面具極大的調(diào)控性，為微驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更高的自由度， 并聚合物基驅(qū)動器具有機械柔性和復(fù)雜環(huán)境下的形變適應(yīng)性的優(yōu)勢。然而，當(dāng)軟體驅(qū)動器尺寸達到微米尺度范疇時，實現(xiàn)其運動速度與軌跡的動態(tài)可控性仍極具挑戰(zhàn)性。
圖1. 基于溫度響應(yīng)的雙向卷曲微折紙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)軟體驅(qū)動器運動行為的調(diào)控。
近日，上？萍即髮W(xué)葉春洪研究員課題組，采用具有溫度響應(yīng)性聚合物聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)和非響應(yīng)性的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)組成響應(yīng)層和阻滯層雙層薄膜，利用響應(yīng)刺激下兩層之間各向異性的潤漲/收縮特性，基于其微折紙形變行為，制備了微米尺度、聚合物基的軟體微驅(qū)動器。并通過3D構(gòu)型的切換，實現(xiàn)微驅(qū)動器的運動軌跡和速度的動態(tài)調(diào)控。相關(guān)工作以“Soft Micromotors with Switchable Motion Enabled by 3D-to-3D Shape Reconfiguration”為題發(fā)表于《Chemistry of Materials》（10.1021/acs.chemmater.3c02979）。
圖2. 基于聚合物折紙結(jié)構(gòu)多樣化3D 形貌的設(shè)計實現(xiàn)對驅(qū)動器運動軌跡、速率的切換。
在此基礎(chǔ)上，以上述管狀結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計更為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)微驅(qū)動器運動。通過溫度調(diào)控驅(qū)動器管狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)形和空間布局，調(diào)節(jié)氣泡的產(chǎn)生方式，獲得不同的矢量和推動力，實現(xiàn)對微驅(qū)動器運動的速度、軌跡、曲率等行為的有效調(diào)節(jié)（圖2）。所制備的微驅(qū)動器尺寸在微米級、三維形貌可調(diào)控、運動速度快、運動軌跡具有響應(yīng)性等特點，可以加速微流控體系中低雷諾數(shù)流體混合，有望應(yīng)用于小型機器人、仿生器件的制備等。且利用聚合物基等軟物質(zhì)作為主體材料，有助于開發(fā)具備靈活性和可生物降解性的微驅(qū)動器。以上微驅(qū)動器設(shè)計與運動調(diào)控為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微驅(qū)動器提供策略，并為軟體微驅(qū)動器應(yīng)用于藥物遞送、傳感監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.3c02979
