《Nature》水凝胶 ，3D打印！

导读：在自然界中，纤毛广泛存在于呼吸道上皮和海洋微生物表面。虽然尺度仅为微米级，但通过协同、非互易的周期性摆动，纤毛能够高效实现定向输运和流体操控等功能。

如何在人工系统中复现这种运动方式，一直是软体机器人和微流控领域的关键挑战。难点并不在于结构成形，而在于能否在微米尺度下，实现低电压、毫秒级响应、可编程的非互易三维运动，并具备阵列化集成能力。

示意图：3D打印水凝胶驱动器实现毫秒级仿生纤毛运动

1月14日，德国斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所Metin Sitti教授联合香港科技大学胡文琪助理教授，利用双光子聚合（TPP）3D打印技术，开发了一种水凝胶微纤毛阵列致动器。

该系统在低至1.5 V的电压下即可实现毫秒级响应，并在微米尺度上实现了可编程的非互易三维运动与复杂流体操控。

相关成果以“3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators”发表在《Nature》期刊上。其中中国青年学者Liu Zemin为论文第一作者。

从毫米到微米：纳米孔水凝胶带来的尺度跃迁

传统水凝胶致动器大多工作在毫米尺度，其驱动依赖于pH或渗透压梯度建立，响应时间往往以秒计。而本研究的关键突破，在于尺度的根本性缩小。

研究者通过双光子聚合3D打印，将离子水凝胶内部的孔径从几十微米压缩至纳米尺度。这种高度致密、均匀的网络结构显著提升了材料的有效比表面积，使电双层（EDL）容量大幅增加，从而在电场作用下实现更高效的离子传输与电渗流。

图1：电驱动水凝胶微致动器的制造、机制和装置

最终得到的，是直径2–10 μm、高度18–90 μm的水凝胶微纤毛，并在其周围集成了间距30–300 μm的微电极。在仅1.5 V（低于水电解阈值）的电压下，局部电场强度即可达到5000–50000 V·m⁻¹，为快速、可逆的驱动奠定基础。

离子在“纳米迷宫”中奔跑：毫秒级弯曲的真正原因

当电场施加后，微纤毛几乎“立刻”做出反应。其弯曲速度相比传统水凝胶快了近100倍，根本原因并不在于材料“更软”，而在于离子迁移路径被极度缩短。

更有趣的是，弯曲方向完全由溶液中的主导离子决定。

在H⁺主导的去离子水中，纤毛向阳极弯曲；在Na⁺主导的生理盐水中，纤毛则转而向阴极弯曲；在中等盐浓度下，H⁺与Na⁺的竞争会导致先正向、再反向的瞬态弯曲行为。

图2：凝胶微纤毛致动器动力学的表征

耦合的电-化学-力学模拟揭示了这一过程的微观图景：H⁺迁移率（μH = 3.62 × 10⁻⁷ m²·s⁻¹·V⁻¹）远高于Na⁺，在电场中更快聚集，引发局部网络收缩；而Na⁺的水合作用则导致网络溶胀。正是这种离子迁移率差异，赋予了系统可预测、可设计的非互易动力学。

在10000 V·m⁻¹的电场下，H⁺穿越10 μm仅需2.8 ms，使得纤毛的旋转弯曲频率可达40 Hz。

非互易不是“随机”：可重编程的微尺度协同运动

单根纤毛的快速弯曲只是开始。真正令人印象深刻的，是该系统在阵列尺度展现出的高度可编程性。

通过对图案化微电极施加不同相位与时序的电信号，研究者实现了多种复杂运动模式，包括同步单向弯曲、180°异相弯曲、顺时针或逆时针旋转，以及相邻纤毛的反向协同运动。

图3：凝胶微纤毛阵列的动态弯曲运动

这些运动可无缝扩展至5×5乃至25×25的阵列，每一个致动单元都可独立寻址。阵列甚至可以被“写成”特定图案，例如通过180°相位差，让纤毛阵列动态显示“HKUST”或“MPIIS”，在微尺度上形成清晰可辨的视觉对比。

更进一步，水凝胶纤毛还能与3D打印的微机械结构集成，将弯曲转化为旋转、拍动等复杂运动；甚至被用来构建一个“人工海星幼虫”平台，在电控下重现生物体表面纤毛驱动的涡流阵列。

不只是动：微纤毛驱动的可编程流体

研究者展示了两种流体操控策略：一是结构编码，在相同驱动信号下，仅通过改变纤毛的位置与密度，就能生成完全不同的涡流拓扑；二是时间编码，通过独立寻址、相位差驱动，动态重编程流场结构。

图4：凝胶微纤毛阵列对流体的动态操控

由此产生的流动模式包括嵌套涡流、L形流动、双向垂直流等，粒子图像测速（PIV）结果与理论预测高度一致。估算的最大流速达到50–250 μm·s⁻¹，展示了其在微流控输运与颗粒操控中的实际潜力。

小结与展望

这项工作展示了一条极具启发性的路径：通过3D打印、离子水凝胶与低电压电场，在微米尺度上实现高频、非互易、可编程运动。

它不依赖复杂的机械传动，也不需要高能耗刺激，却在运动自由度与系统集成度上，逼近了生物纤毛的工作方式。随着材料组成、电极结构和尺度的进一步优化，这类电控水凝胶微纤毛有望在微型机器人、生物医学器件与智能微流控系统等领域发挥更大作用

文献链接

Liu, Z., Wang, C., Ren, Z. et al. 3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators. Nature (2026).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09944-6

来源：3D打印资源库