浙江工业大学吴化平教授、范丽莎教授AFM：受蝎子启发！新型仿生微执行器

在软机器人、精密传感和靶向药物递送领域，智能软微执行器凭借其仿生结构和刺激响应材料展现出巨大应用前景。然而，现有系统在实现快速变形的同时保持机械鲁棒性方面仍面临重大挑战，限制了其在复杂环境中的实际应用。

近日，浙江工业大学吴化平教授、范丽莎教授提出通过飞秒激光双光子聚合技术制备一种新型异质材料微执行器。该执行器结合了pH响应水凝胶和刚性光刻胶，嵌入磁性纳米粒子，实现了局部pH响应行为和远程磁控运动。作为概念验证，研究团队设计了一款蝎子启发式微执行器，能够执行可编程的捕获、运输与释放功能，为自适应微机器人提供了多功能平台。相关论文以“Two-Photon Polymerized Heterogeneous Materials Microactuators for Local Responsiveness and Remote Locomotion”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究团队首先展示了蝎子启发式异质微执行器的设计与制造过程（图1）。该执行器模仿蝎子钳子的结构与功能，通过双光子聚合技术精确构建三维结构。光学图像和扫描电镜图像显示，执行器在酸性和碱性条件下表现出可逆的形变行为：在碱性环境中，钳子向内弯曲实现抓取；在酸性环境中恢复原状，释放物体。模拟结果进一步验证了这种可编程驱动行为。

图1：蝎子启发式异质微执行器的示意图设计、制造与表征。 a) 蝎子启发式微执行器的结构设计：i) 蝎子的光学图像；ii) 微执行器的几何形状与尺寸示意图；iii) 微执行器捕获与运输货物的示意图；iv) 微执行器的扫描电镜图像。 b) 蝎子启发式异质微执行器的双光子聚合过程示意图。 c) 微执行器在酸性和碱性条件下的光学图像。 d) 蝎子启发式异质微钳变形行为的模拟。

为了优化制造工艺，团队系统研究了水凝胶成分与激光参数对微结构成型的影响（图2）。通过调整单体浓度、光引发剂含量和激光功率，他们成功控制了聚合线的宽度，实现了高分辨率微结构的定制。结果表明，在适当参数下，水凝胶能够形成平滑连续的线条，为复杂结构的制造奠定了基础。

图2：线宽对不同实验参数的依赖性。 a) 在不同总单体浓度和光引发剂摩尔分数下制备的聚合线的扫描电镜图像。 b) 不同单体浓度下，线宽对激光功率的依赖性（光引发剂浓度为3 mM）。 c) 不同单体浓度下，线宽对激光功率的依赖性（光引发剂浓度为6 mM）。 d) 不同单体浓度下，线宽对激光功率的依赖性（光引发剂浓度为9 mM）。 e) 不同光引发剂浓度下，线宽对激光功率的依赖性（单体浓度为1 M）。 f) 不同光引发剂浓度下，线宽对激光功率的依赖性（单体浓度为3 M）。 g) 不同光引发剂浓度下，线宽对激光功率的依赖性（单体浓度为5 M）。

水凝胶微结构的刺激响应特性是关键突破点（图3）。矩形和圆形微结构在pH变化下表现出可逆的溶胀与收缩行为。激光功率、扫描速度和步长等参数显著影响溶胀比，团队通过调控这些因素，实现了对水凝胶响应行为的精确调节。多次pH循环测试证实了结构的稳定性和可逆性。

图3：通过双光子聚合制备的水凝胶微结构的刺激响应特性。 a) 矩形水凝胶微结构的示意图与扫描电镜图像。 b) 圆形水凝胶微结构的示意图与扫描电镜图像。 c) 矩形与圆形结构在不同pH下的亮场图像。 d) 激光功率对不同pH条件下水凝胶微结构溶胀比的影响。 e) 矩形水凝胶微结构的可逆溶胀行为。 f) 扫描速度对水凝胶微结构溶胀比的影响。 g) 步长对水凝胶微结构溶胀比的影响。

基于上述发现，团队开发了异质材料微钳（图4）。这种微钳由pH响应水凝胶和刚性光刻胶组成，在碱性条件下因差异溶胀产生弯曲。研究显示，微钳的长度和宽度直接影响弯曲角度，而可逆弯曲行为在多次循环中保持稳定，证明了其可靠性和耐久性。

图4：通过双光子聚合制备的异质材料微钳的响应特性。 a) pH响应异质材料微钳的示意图。 b) 在pH=1和pH=13条件下异质材料微钳的扫描电镜图像。 c) 不同长度微钳在pH=1和pH=13下的亮场图像。 d) 不同宽度微钳在pH=1和pH=13下的亮场图像。 e) 长度对不同pH下微钳弯曲角度的影响。 f) 宽度对不同pH下微钳弯曲角度的影响。 g) 异质材料微钳的可逆弯曲行为。

最后，团队将磁性响应组件集成到微蝎子执行器中（图5）。通过外部磁场引导，微蝎子能够精准导航并执行复杂轨迹。在pH调控下，其钳子可逆地开合，成功实现了对聚苯乙烯微球的捕获、运输与释放。亮场图像清晰展示了整个操作过程，凸显了该技术在生物医学微操作领域的应用潜力。

图5：微蝎子对聚苯乙烯微球的捕获、运输与释放行为。 a) 磁性微蝎子制备过程的示意图。 b) 仿生微结构的模型与亮场图像。 c) 不同pH下蝎子钳之间的距离。 d) 微蝎子对聚苯乙烯微球的选择、捕获、运输与释放过程示意图。 e) 微蝎子对聚苯乙烯微球的选择、捕获、运输与释放的亮场图像。 f) 微蝎子的四种运动轨迹亮场图像。

这项研究成功演示了兼具pH与磁响应能力的异质微执行器，通过仿生设计与先进制造技术的结合，实现了局部形变与远程运动的协同控制。该成果为精准药物递送、细胞微操作等领域提供了新的解决方案，有望推动软体机器人和生物医学工程的发展。

来源：高分子科学前沿

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