尺寸在微米到厘米級(jí)別的微尺度游泳驅(qū)動(dòng)器，在外界信號(hào)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、化學(xué)物質(zhì)、光等）的刺激下，在液體表面或體相中執(zhí)行各種游泳運(yùn)動(dòng)模式，在能量轉(zhuǎn)換、靶向給藥、生物醫(yī)學(xué)工程和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。光作為一種普遍存在的能源，易于實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間的控制，并具有遠(yuǎn)程操控、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前實(shí)現(xiàn)的光驅(qū)動(dòng)游動(dòng)主要包括三種模式：形變驅(qū)動(dòng)、蒸汽/氣泡驅(qū)動(dòng)、基于化學(xué)/熱Marangoni效應(yīng)（表面張力梯度驅(qū)使液體流動(dòng)）的表面張力驅(qū)動(dòng)。最初的游泳驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于只有一個(gè)馬達(dá)，隨著光照信號(hào)的開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)器做出走和停的相應(yīng)行為，但實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)還需要一個(gè)控制方向的方向盤，即在平面內(nèi)加一個(gè)自由度-轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于游泳驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)意味著要對(duì)驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)施加不對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)力。傳統(tǒng)方法是把光束聚焦在驅(qū)動(dòng)器的某一個(gè)非中心部位，產(chǎn)生不平衡的推動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。但對(duì)于微尺度驅(qū)動(dòng)器，要在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中把光亦步亦趨地聚焦于其上的某一個(gè)特定點(diǎn)難以維持的。因此，設(shè)計(jì)一種大光斑全覆蓋照射，即在全區(qū)域光操控下實(shí)現(xiàn)包含平移和轉(zhuǎn)動(dòng)的多自由度運(yùn)動(dòng)可編程游泳驅(qū)動(dòng)器成為挑戰(zhàn)。

  近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心研究人員與中科院力學(xué)研究所合作，通過(guò)將不同的波長(zhǎng)參數(shù)引入光信號(hào)，基于波長(zhǎng)控制的光熱Marangoni效應(yīng)，在全區(qū)域光照下實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜光信號(hào)驅(qū)動(dòng)的可編程多自由度游泳驅(qū)動(dòng)器。該研究制備了不同染料摻雜的聚二甲基硅氧烷作為波長(zhǎng)選擇性光熱單元，在特定波長(zhǎng)光的照射下獲得非對(duì)稱的光熱模式及表面張力梯度，通過(guò)Marangoni效應(yīng)產(chǎn)生非對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)。該工作實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)的線性進(jìn)-退運(yùn)動(dòng)（1D）與左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（2D），轉(zhuǎn)速可調(diào)的順時(shí)針/逆時(shí)針?lè)较螨X輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此外，結(jié)合運(yùn)用三種不同的光信號(hào)（532 nm的綠光、650 nm的紅光和連續(xù)波長(zhǎng)的白光）可使驅(qū)動(dòng)器靈活地穿過(guò)復(fù)雜迷宮。上述功能性運(yùn)動(dòng)模式顯示了其在游動(dòng)任務(wù)執(zhí)行中的應(yīng)用潛力。

  雖然Marangoni效應(yīng)被廣泛運(yùn)用于各種驅(qū)動(dòng)器，但納牛級(jí)別的驅(qū)動(dòng)力難以用儀器直接測(cè)量，且由于表面體系的復(fù)雜性，基于表面張力對(duì)驅(qū)動(dòng)力的理論計(jì)算量值往往存在較大偏差。通過(guò)與中科院力學(xué)所研究員關(guān)東石課題組合作，該工作建立了一種直接測(cè)量水面游動(dòng)器件驅(qū)動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先利用一根拉伸毛細(xì)管（針尖直徑3 μm）直接測(cè)量出驅(qū)動(dòng)器游動(dòng)時(shí)造成的針尖位移，后通過(guò)增重法（added-mass method）使用一系列水滴校準(zhǔn)了針尖位移所對(duì)應(yīng)的作用力大小。測(cè)試結(jié)果與通過(guò)驅(qū)動(dòng)器加速度計(jì)算的力學(xué)數(shù)值吻合較好，從實(shí)驗(yàn)測(cè)量角度為各類游動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)表征與理論分析提供了依據(jù)。在制造方面，該系統(tǒng)所采用的材料通用常見(jiàn)、成本低廉，制作方法簡(jiǎn)便省時(shí)，這種可獲得性為大規(guī)模制造、模塊化裝配/替換以及定制化設(shè)計(jì)提供了可能。此外，該工作也為基于光的多參數(shù)（強(qiáng)度、波長(zhǎng)、偏振）控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了有益視角。

  相關(guān)研究成果以Programmable Light-Driven Swimming Actuators via Wavelength Signal Switching為題，發(fā)表在Science Advances上。

  論文鏈接

圖1.基于marangoni效應(yīng)的波長(zhǎng)選擇性游動(dòng)驅(qū)動(dòng)示意圖

圖2.游泳驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力直接實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

責(zé)任編輯：閻芳

來(lái)源：理化技術(shù)研究所