³D打印低電壓驅(qū)動(dòng)纖毛水凝膠微致動(dòng)器

本文介紹了一種通過雙光子聚合（TPP）技術(shù)³D打印的微米級(jí)纖毛狀水凝膠致動(dòng)器。該致動(dòng)器由柔軟的丙烯酸-共-丙烯酰胺（AAc-co-AAm）水凝膠構(gòu)成，具有納米尺度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其核心創(chuàng)新在于對(duì)毫秒級(jí)低電壓（低至1.5V，且不發(fā)生水解）電刺激的快速響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)個(gè)體化控制和非互易性³D運(yùn)動(dòng)。

研究采用雙光子聚合技術(shù)進(jìn)行³D打印，并通過優(yōu)化切片和填充等關(guān)鍵工藝參數(shù)，將離子水凝膠的孔徑從傳統(tǒng)毫米級(jí)致動(dòng)器的數(shù)十微米縮小至納米尺度。這種納米級(jí)的孔隙率增加了有效表面積，擴(kuò)大了電雙層（EDL）的容量，從而在離子溶液中增強(qiáng)了離子傳輸和電滲流。利用這種直接的微型水凝膠致動(dòng)器打印技術(shù)，研究者制備了AAc-co-AAm凝膠微纖毛（直徑2-10μm，高度18-90μm），并在其周圍布置微電極。在1.5V電位（低于電解反應(yīng)閾值≤1.5V）下，這些緊密排列的30-300μm間距的電極可產(chǎn)生5000至50000V m^-1的電場。

與以往基于界面pH或滲透壓梯度驅(qū)動(dòng)的毫米級(jí)水凝膠不同，本研究中的微米級(jí)水凝膠通過納米級(jí)孔隙內(nèi)的離子遷移實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，從而表現(xiàn)出獨(dú)特的彎曲行為和快100倍的彎曲響應(yīng)速度。彎曲方向取決于溶液的離子環(huán)境。在H⁺主導(dǎo)的去離子（DI）水中，凝膠微纖毛向陽極彎曲；而在Na⁺主導(dǎo)的生理鹽水（0.15380 mol l^-1NaCl）中，則向陰極彎曲。在中間濃度（0.00769 mol l^-1NaCl）下，H⁺/Na⁺的競爭效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致先向陽極彎曲再反向陰極彎曲的瞬態(tài)行為。完全耦合的電-化學(xué)-機(jī)械模擬揭示了其內(nèi)在機(jī)理：在DI水中，水凝膠網(wǎng)絡(luò)中羧酸基團(tuán)解離出的H⁺離子在電場下遷移并聚集在陰極側(cè)區(qū)域（區(qū)域1），導(dǎo)致局部網(wǎng)絡(luò)收縮（因酸性環(huán)境使部分–COO^–轉(zhuǎn)變?yōu)楱CCOOH，減少排斥力），從而使纖毛向陽極彎曲。在生理鹽水中，主導(dǎo)的Na⁺離子在電場作用下向陰極遷移并聚集在區(qū)域1，其水合作用導(dǎo)致該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)溶脹，從而使纖毛向陰極彎曲。H⁺離子（遷移率μ_H= 3.62 × 10^–7m²s^–1V^–1）比Na⁺離子（μ_Na= 5.19 × 10^–8m²s^–1V^–1）更高的遷移率是瞬態(tài)彎曲行為的原因。快速彎曲動(dòng)力學(xué)源于兩個(gè)因素：EDL的有效表面積擴(kuò)大增強(qiáng)了離子傳輸，以及微米尺度上快速的H⁺和Na⁺遷移。例如，在10000 V m^-1電場下，H⁺穿越10μm距離僅需2.8ms。這使得旋轉(zhuǎn)彎曲運(yùn)動(dòng)頻率可達(dá)40Hz。耐久性測試表明，單個(gè)纖毛在連續(xù)驅(qū)動(dòng)330,000次循環(huán)（20Hz，5小時(shí)）后仍能保持50°的彎曲角度，約為初始性能的70%。致動(dòng)器壽命主要受限于薄膜微電極的穩(wěn)定性而非水凝膠本身。丙烯酸（AAc）濃度、纖毛直徑、電場強(qiáng)度、高度等參數(shù)均影響彎曲性能。在多種溶液（DI水、生理鹽水、DPBS）和生理流體（人唾液、人血清、小鼠血漿）中的測試表明，其驅(qū)動(dòng)性能隨溶液離子復(fù)雜性增加而降低，但在各種環(huán)境中均保持功能。

研究展示了在電刺激下對(duì)四個(gè)凝膠微纖毛系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的多樣化控制。通過對(duì)圖案化電極的電信號(hào)控制，可以實(shí)現(xiàn)同步單向彎曲、180°異相單向彎曲、同步³D旋轉(zhuǎn)彎曲或相鄰纖毛的反向旋轉(zhuǎn)。這種協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可擴(kuò)展至5×5和25×25陣列。每個(gè)致動(dòng)單元可獨(dú)立尋址，實(shí)現(xiàn)同步單向彎曲、順時(shí)針/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。陣列可被重編程以顯示特定圖案（如“HKUST”），其中字母與背景纖毛之間存在180°相位差以增強(qiáng)視覺對(duì)比度。大規(guī)模陣列（如25×25）同樣可編程顯示復(fù)雜圖案（如“MPIIS”）。水凝膠前驅(qū)體與微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也兼容標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)，演示了使用常規(guī)光刻技術(shù)制備10⁶個(gè)凝膠微纖毛。水凝膠致動(dòng)器還能與微機(jī)械結(jié)構(gòu)（如³D金字塔框架結(jié)構(gòu)、直接打印的螺旋形狀）集成，將電誘導(dǎo)的水凝膠彎曲轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)和拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)。此外，研究還制作了人工海星幼蟲平臺(tái)，結(jié)合微尺度³D打印的幼蟲軀體、其曲面上的微電極圖案以及集成的水凝膠纖毛，在電控制下再現(xiàn)了生物類似的渦流陣列，為定量研究仿生過程和主動(dòng)邊界條件提供了可靠的機(jī)器人平臺(tái)。

凝膠微纖毛能夠?qū)崿F(xiàn)可控的流體輸送和定向粒子運(yùn)動(dòng)。流體操控控制通過兩種策略實(shí)現(xiàn)：其一，通過在同一致動(dòng)單元內(nèi)改變凝膠微纖毛的空間排列和密度配置，在相同的順時(shí)針驅(qū)動(dòng)信號(hào)下調(diào)控流場模式。實(shí)驗(yàn)表明，纖毛的位置和密度可以主導(dǎo)同步順時(shí)針運(yùn)動(dòng)下的渦流模式和方向。例如，中心放置的四個(gè)纖毛產(chǎn)生順時(shí)針渦流，并在單元間區(qū)域誘導(dǎo)出逆時(shí)針渦流；而角落放置的配置則在每個(gè)致動(dòng)單元內(nèi)產(chǎn)生五個(gè)渦流（四個(gè)順時(shí)針，一個(gè)中心逆時(shí)針）。高密度陣列（如每單元25個(gè)纖毛）則因鄰近纖毛間的流體動(dòng)力學(xué)干擾而消除了單元內(nèi)渦流。其二，通過獨(dú)立尋址的凝膠微纖毛動(dòng)態(tài)重編程流場模式。例如，最外圈16個(gè)纖毛以相鄰致動(dòng)器90°相位差形成異時(shí)波，產(chǎn)生中心逆時(shí)針渦流；區(qū)域特異性驅(qū)動(dòng)可在陣列內(nèi)生成L形流動(dòng)；交替列驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生雙向垂直流；同心環(huán)驅(qū)動(dòng)則建立嵌套渦流。粒子圖像測速（PIV）和粒子軌跡跟蹤結(jié)果均與模擬預(yù)測的流場模式一致。估計(jì)由纖毛產(chǎn)生的最大流速在50至250μm s^-1之間。這些功能演示了該平臺(tái)在微流體操控方面的潛力。

當(dāng)前的凝膠微纖毛在復(fù)雜離子環(huán)境（如含多種主導(dǎo)離子的溶液）中的性能仍有提升空間。潛在解決方案包括優(yōu)化水凝膠單體組成（例如引入2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)極化能力）、減小纖毛直徑（≤2μm）以縮短離子重分布時(shí)間，以及通過³D微電極或減小電極間距來增強(qiáng)電場均勻性和強(qiáng)度。預(yù)計(jì)隨著凝膠微纖毛性能的持續(xù)改進(jìn)，結(jié)合先進(jìn)的微/納米加工及柔性電子制造技術(shù)，將在眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。