软磁水凝胶微结构能完成抓取和翻转

来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

显微镜下，当科学家在培养皿上方轻轻挥动一块小磁铁，一种比沙粒还小的棒棒糖状结构会像捕蝇草一样迅速合拢，瞬间变成一个能够抓取的微型机器人“抓手”。这是美国麻省理工学院联合洛桑联邦理工学院和辛辛那提大学开发的一种新型软磁水凝胶。相关研究论文发表于最新一期《物质》杂志。

研究人员介绍，“棒棒糖”所用的材料还可被制成复杂的三维微结构，并在外部磁场作用下完成抓取、翻转等多种复杂动作，有望用于微型机器人以及药物释放、活检取样等生物医学场景。

以往开发的多种磁性微型游动器，可以在磁场引导下穿过狭小空间，但它们通常是整体移动，就像被磁铁拖着走，很难完成更精细的动作。

此次研究的不同之处在于，材料不仅能够整体响应磁场，还可以在微米尺度上实现局部结构的差异化运动和变形，从而完成更复杂的操作。为此，研究团队在双光子光刻3D打印技术基础上，提出了一种“先打印、后赋磁”的“双浸”工艺：先利用普通聚合物凝胶打印出微结构，再将其依次浸入含铁离子和氢氧根离子的溶液中，使凝胶内部生成具有磁性的氧化铁纳米颗粒，从而赋予结构磁响应能力。

研究还发现，通过调节打印过程中激光强度，可以改变凝胶结构的致密程度，从而控制其内部生成磁性颗粒的多少，实现对不同微小部件磁性的精细调控。这意味着，在同一微型结构中，各部分可表现出不同的响应行为。

在实验演示中，团队制备了类似“棒棒糖”的球杆结构，并为不同球体赋予不同磁性。当磁铁靠近时，这些结构以不同幅度向磁源弯曲，整体动作类似手指完成抓取。

团队还制造了一种磁响应“双稳态”开关。他们打印了一个毫米级长方形凝胶结构，并在两侧连接了4个微型桨状结构，每个厚约8微米，接近红细胞大小。当磁铁靠近一侧时，这些“桨”会翻转并拉动整体结构向该方向移动并锁定；当磁铁移至另一侧时，结构再次翻转，实现类似开关的反向切换。

这种结构有望在微流控系统中作为磁性阀门，用于控制流体的开启与关闭。总体而言，该研究实现了在微尺度上对复杂磁性结构的构建及其性能的空间调控，为软体微型机器人和可响应材料的发展提供了新的技术路径。