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目錄

1.MEW技術(shù)介紹

2.研究方法與結(jié)果

3.磁性機(jī)器人操縱貨物試驗(yàn)

4.研究結(jié)論

1. MEW技術(shù)介紹

熔融靜電紡絲書寫(MEW)技術(shù)是熔體靜電紡絲與3D打印相結(jié)合的一種新興技術(shù)。與傳統(tǒng)3D打印技術(shù)相比，該方法可以實(shí)現(xiàn)亞微米纖維的精確定位，比3D打印技術(shù)小約2個(gè)數(shù)量級。這些產(chǎn)品作為生物相容性支架主要應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程。MEW實(shí)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(shù)，可以在計(jì)算機(jī)的自動控制下設(shè)計(jì)出復(fù)雜的形狀或幾何形狀。它被認(rèn)為是“切割”的，可以獲得單個(gè)或陣列的金屬納米線、量子點(diǎn)、聚合物納米圓柱。新技術(shù)可以人工設(shè)計(jì)超細(xì)纖維，而切片技術(shù)可以將超細(xì)纖維切片制成納米或微結(jié)構(gòu)。

2. 研究方法與結(jié)果

哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓曉軍課題組和奧胡斯大學(xué)Menglin Chen課題組將這種經(jīng)濟(jì)有效且簡單的新方法應(yīng)用于制造磁性微型機(jī)器人。MEW直接打印不對稱的聚己內(nèi)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(shù)切割成蝌蚪狀的磁性微型機(jī)器人。不對稱的蝌蚪狀磁性微型機(jī)器人通過無線動態(tài)磁場實(shí)現(xiàn)推進(jìn)和滾動運(yùn)動。這種蝌蚪狀的微型機(jī)器人可以很好地控制操作和貨物運(yùn)輸。制備工藝流程如圖1所示。

圖1 蝌蚪狀磁性微型機(jī)器人的制造工藝示意圖。聚己內(nèi)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(jī)器人(C)。

為了制備不同型號的微型機(jī)器人，需要制備不同寬度和深度的PDMS通道。通過調(diào)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(guān)系按下式擬合。

圖2 聚二甲基硅氧烷(PDMS)通道和磁性聚己內(nèi)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(guān)系。(C)：形狀不對稱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不對稱坯料的SEM圖像。每幅圖像上均標(biāo)明了速度值，單位為mm 。

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

3.磁性機(jī)器人操縱貨物試驗(yàn)

研究人員研究了使用磁推進(jìn)的蝌蚪狀微型機(jī)器人操縱貨物的可能性。蝌蚪狀微型機(jī)器人和磷酸鈣(CaP)球狀貨物的前部輪廓用黑色虛線標(biāo)記。一個(gè)貨物操作過程如圖4A所示。微型機(jī)接近球形貨物(直徑約89.8μm)，使貨物沿著設(shè)計(jì)的運(yùn)動軌跡1進(jìn)行高效操縱。由于蝌蚪狀微型機(jī)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(gè)蝌蚪狀的微型機(jī)器人被手動控制，用設(shè)計(jì)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(shí)更改為一個(gè)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(jī)器人還可以通過直線路線3一起滾動來實(shí)現(xiàn)多貨物運(yùn)輸(圖4B)。multicargos以309.5m 的速度被移動535.4m。新技術(shù)制造的微型機(jī)器人在無線磁控下表現(xiàn)出了可控制的運(yùn)動能力和貨物運(yùn)輸能力。

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

4.研究結(jié)論

韓曉軍教授和Menglin Chen以及他們的團(tuán)隊(duì)成功地制造了磁性蝌蚪狀微型機(jī)器人，通過控制磁場實(shí)現(xiàn)滾動或推進(jìn)運(yùn)動。磁場的頻率、強(qiáng)度和方向可以方便地調(diào)節(jié)蝌蚪狀微型機(jī)器人的速度和方向。這種蝌蚪狀的微型機(jī)器人還可以在微環(huán)境中以高效的運(yùn)動和精確的可控性將一件貨物或多件貨物運(yùn)送到指定的目的地。新技術(shù)的發(fā)展使得構(gòu)建具有可設(shè)計(jì)的截面形態(tài)的微型機(jī)器人成為可能?；趶匿撆鞯轿⑵木芮邢鞴に?，該制造工藝具有高度可重復(fù)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(shè)計(jì)出具有不同功能甚至多功能的微型機(jī)器人，從而制造出具有生物靈感的微型機(jī)器人。新技術(shù)、微成型技術(shù)和剝皮技術(shù)的結(jié)合在制造多功能微型機(jī)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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