《自然·通讯》可编程运动的光图案微型游泳器，无需外部刺激

互推小编 2023-04-21

【摘要】

最近，首尔大学Yeongjae Choi/Sunghoon Kwon/庆熙大学Wook Park教授团队介绍了由 Marangoni 效应驱动的高度可编程微型游泳者（Marangoni microswimmers），可以在水面上自行推进。先前对 Marangoni 游泳者的研究表明，通过利用从动力源材料到机械能的直接转换，可以在没有外部能源或机械系统的情况下进行自我推进。

然而，Marangoni 微型游泳器的当前发展在其制造方面存在局限性，从而阻碍了它们的可编程性和精确的大规模生产。通过引入光图案化方法，团队生成了具有多个功能部件的 Marangoni 微型游泳器，这些部件具有不同的材料特性，可在高吞吐量下使用。此外，在没有外部刺激的情况下，各种运动，例如随时间变化的方向变化和游泳者的拆卸，都被编程到 Marangoni 微型游泳者中。相关论文以题为Photopatterned microswimmers with programmable motion without external stimuli发表在《Nature Communications》上。

【主图导读】

图 1：带有用于高度可编程运动的多功能部件的 Marangoni 微型游泳器的示意图。a从燃料部分释放的 PVA 降低了相邻区域的表面张力，并通过 Marangoni 效应实现推进。疏水体（红色）使游泳者能够漂浮在溶液表面。中间（黑白）：具有线性运动的微型游泳者的 FastCam 图像；比例尺代表 250 µm（黑框和 FastCam 图像）和 1 cm（缩小图片）。b 通过有选择地设计游泳者结构和表面张力分布的平衡来实现游泳者的圆周运动；比例尺代表 250 µm（黑框）和 1 cm（缩小图片）。c 微型游泳器的旋转运动。星号标志着微型游泳者的同一个机翼；比例尺代表 100 μm。d 微型游泳者的时程运动变化。由于膨胀，放置在微型游泳器上的水凝胶舵的尺寸会发生变化，这导致它们的运动从圆形变为线性。用于多孔水凝胶舵制造的PEGDA:乙醇的体积比为5:5；比例尺代表 250 µm（黑框）和 1 cm（缩小图片）。e 通过用水溶性 PVA 连接两个游泳者，在指定时间后将游泳者拆解。比例尺代表 1 cm。

图 2：Marangoni 微型游泳器的光刻技术使 Marangoni 微型游泳器具有多功能部件。a一种微型游泳器的制造方法，包括 PVA 嵌入的凝胶；溶解在光固化聚合物溶液中的 PVA 在 UV 聚合过程中不发生反应。旋出未固化的溶液并引入乙醇以固化聚合物网中的 PVA。接下来是使用疏水性溶剂的附加制造过程。b 各种尺寸的微型游泳器。c 扫描电子显微镜 (SEM) 图像：单一燃料组分；比例尺代表 100 µm。d SEM 图像：燃料组件横截面；比例尺代表 3 µm。e 在各种 PVA 浓度条件下制造的燃料舱释放 PVA 的时程曲线。f 从各种大小的磁盘中释放 PVA 的时间进程概况。预聚物溶液中的 PVA 浓度为 0.7%，所有圆盘的厚度为 210 μm。g 最大微型游泳者速度与制造过程中添加的 PVA 浓度的关系，使微型游泳者的推进时间具有可编程性。使用了具有 750 μm 轴的火箭状微型游泳器。h Microswimmer 推进时间与制造过程中添加的 PVA 浓度。

图 3：水凝胶舵使微型游泳者能够随时间改变运动。a 通过控制火箭状游泳者每个机翼之间的大小差异，能够将游泳者的运动从线性编程到直径较小的圆形。在缩小的图片中，显示了游泳者接触水面后的第一个圆周运动。比例尺代表 500 μm（黑框）和 1 cm（缩小图片）。b 根据制备溶液中 PEGDA 与乙醇的体积比（n = 15），水凝胶舵的膨胀率（与完全干燥凝胶的初始体积相比）。随着乙醇比例的增加，溶胀饱和时间减少。水凝胶的初始尺寸为 1.25 × 106 µm3。c 通过改变 PEGDA 与乙醇的体积比（n = 10）来编程从圆形到线性（图 1d 中的微型游泳器）的运动变化时间。选择舵的尺寸使得游泳者在完全膨胀时保持平衡。d 随时间变化的运动从线性变为圆形（反向螺旋运动）。

图 4：游泳者在指定时间后的分解和动作变化。a 通过将燃料部件之间的距离更改为 100 μm，能够在这些部件之间制造水溶性 PVA 桥。b, c 通过 PVA 层堆叠程序控制 PVA 桥的厚度，增加了 PVA 桥的厚度（n = 10）。d 随着 PVA 薄膜厚度的增加，在薄膜上产生 90 μm 孔所需的溶解时间增加（n = 10）。e 根据 PVA 处理的次数（n = 10）控制桥接的两个火箭状游泳者的拆卸时间。f 通过连接两个沿相反方向运动的线性推进游泳者，演示了拆卸和运动变化（从圆形到线性）。比例尺代表 500 µm（黑框）和 1 cm（缩小图片）。g 通过将棒状游泳者连接成火箭形状，可以将运动从线性变为圆形。比例尺代表 500 µm（黑框）和 1 cm（缩小图片）。h 货物交付概念。两个水凝胶货物在单个线性推进的游泳者上架桥并在指定时间后释放。

【总结】

团队开发了一个 Marangoni 微型游泳器，它具有多个部件，并且将时间进程程序化的动作集成到游泳者中。先前报道的游泳者在其制造的吞吐量和精度方面受到限制，因此，其运动的可编程性受到限制。在该文中，团队通过引入 PVA 作为燃料克服了这些限制，并能够制造具有多个部件的微型游泳器，并结合基于离心的洗涤方法。随着稳健和复杂制造的进步，团队相信该平台将加速 Marangoni 游泳运动员的动力学研究以及未来对更高可编程性和各种应用的研究。据悉，马兰戈尼游泳运动员的整体动力学几乎不为人所知。使用本文提供的各种模型，可以通过在形状、燃料浓度和规模方面的多种变体的实验来验证动力学理论。在适用性方面，PVA 可生物降解且环保，因此它将在未来将微型游泳者在各种环境中的效用最大化。介绍的游泳者适用于在海水或血液等水性液体上游泳，因为PVA可以溶解并降低表面张力。微泳器在释放后没有任何刺激的情况下，通过各种运动和拆卸，将适用于只有入口暴露并动态变化的微环境或微通道网络。此外，游泳者的拆卸概念也可以应用于货物交付。此外，研究多个游泳者的集体运动将是另一个研究领域。当大量微型游泳者在有限空间内移动时，由于燃料释放后水的表面张力降低，游泳者的推进力会受到限制。为了克服这个问题，需要一种在指定时间后改变其表面张力的燃料。

参考文献：

doi.org/10.1038/s41467-021-24996-8

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