Nat. Commun.：飞秒激光书写受蚂蚁启发的可重构微型机器人集体

文摘 2024-09-14 09:08 北京

第一作者：Zhongguo Ren

通讯作者：Dong Wu，Chen Xin

通讯单位：中国科学技术大学，香港中文大学

DOI: 10.1038/s41467-024-51567-4

背景介绍

生物在各种环境中的集体行为十分普遍，它们能够自发有序地完成单个个体难以完成的任务。目前，生物集体的形成主要分为两大类。第一类生物个体之间没有直接接触，如蜜蜂、鱼和鸟类，这导致这些集体不稳定，容易受到干扰。相比之下，更稳定的集体是由个体通过嘴或肢体变形相互缠绕而形成的，如蚂蚁，或一个个体咬住另一个个体的尾巴根部而形成的，如鼩鼱。这些集体是由个体相互锁定而形成的。它们可以抵抗干扰，始终保持整体性。

受第一种集体类型的启发，研究人员开发出了微型机器人集体，它们能够响应外部磁场、光、电场和超声波重新配置其形态，从而实现多种组装模式。虽然这些组装策略可以重新配置微/纳米群体的形态以执行某些集体行为，但单体可控性较差，无法选择性和单独驱动。此外，组装后的形态需要持续输入外部刺激来维持。这些缺点限制了微型机器人集体的行为和功能。因此，提出类似于第二种生物集体的稳定组装策略对于开发微型机器人集体的高级应用至关重要。

第二种集体类型蚂蚁可以利用嘴或肢体变形进行互锁，实现个体之间的稳定连接和可控分离。受此行为的启发，使用可变形微型机器人作为基本单元是一种很有前途的方法来构建可以以受控和稳定的方式组装和拆卸的微型机器人集体。随着微纳制造技术和材料科学的快速发展，基于刺激响应材料的微型机器人得到了发展，它们表现出优异的响应变形特性、高度的环境适应性和强大的功能性。作为典型的例子，Sitti等人创建了具有预定义场取向方向的立方液晶弹性体体素，并将这些体素缝合成线、网格和骨架结构，以实现可编程的热触发三维形貌变化。Duan等人构建了3D可重构的pH响应水凝胶微构建块，并实现了复杂的3D到3D形状转换。上述例子展示了所提出的刺激响应材料微型机器人的优越性能。然而，从微型机器人的数量来看，当前的研究通常集中在单个可变形的微型机器人上。尽管可以可控地实现单个微型机器人的可逆、动态和快速的变形或运动，但是多个可变形微型机器人之间稳定、可逆的连接以形成集体以及它们的运动和应用尚未得到验证。

本文亮点

1. 本工作构建了磁性和光驱动的蚂蚁微型机器人群体，能够以稳健的方式重新配置多个组装架构。该方法利用灵活的双光子聚合策略来制造由磁性光刻胶、水凝胶和金属纳米粒子组成的微型机器人。

2. 在磁场和光场的配合下，微型机器人可以可逆地和选择性地组装（例如，90°组装和180°组装）成各种形态。

3. 展示了组装微型机器人跨越一个身体长度间隙的能力，以及它们穿越狭窄处和运输微型货物的自适应能力。

图文解析

图1. 模仿蚁群行为的可重构三只蚂蚁微型机器人示意图。

a 三个蚂蚁微型机器人在磁场和光场下的 I 形组装和可逆 C 形组装过程。b 组装成 I 形的三个蚂蚁微型机器人模仿蚂蚁穿越缝隙。蚂蚁图像经授权使用，来自 Stock。c 组装成 C 形的三个蚂蚁微型机器人模仿蚂蚁运输货物。

图2. 蚂蚁微型机器人的设计、制造和特性。

a 蚂蚁身体采用飞秒激光直写磁性光刻胶制作而成。b 热刺激响应性水凝胶关节通过 TPP 集成到身体中。关节由两部分组成，具有不同的交联密度，其中深红色和浅红色部分分别表示高交联密度和低交联密度。c 位点选择性光还原 Ag NPs 用于光热转换，其中 Ag NPs 由吸收光子的银铵离子还原而成。SEM 图像中含有 Ag NPs 的区域以黄色标记。d 激光用于触发蚂蚁下颚张开，5×物镜下聚焦点的半径约为 3.3 μm。当 Ag NPs 受到 NIR 光照射时，强烈的光热转换会导致水凝胶关节温度升高。非对称关节中交联密度低的部分产生的收缩变形比交联密度高的部分大，导致水凝胶关节驱动下颌骨张开。比例尺，（a-d）10 μm。e 模拟结果表明，Ag NPs 吸收光转化的热量诱导水凝胶关节变形，驱动下颌骨张开。f 下颌骨的动态光响应特性，响应时间约为 8 毫秒。比例尺，10 μm。g 在驱动功率为 20 mW 的激光开关 1000 次循环中关节的弯曲角度。h 用 VSM 测量的磁性蚂蚁微型机器人的质量磁化曲线，表明磁性蚂蚁微型机器人具有超顺磁性。i 如果蚂蚁微型机器人的轴线与磁方向之间存在角度，则会在蚂蚁微型机器人上产生磁扭矩，从而引起蚂蚁微型机器人的旋转运动，以沿着磁场的方向排列。j 光学图像显示蚂蚁微型机器人随着外部磁场的旋转而旋转（B）。

图3. 磁性蚂蚁机器人的可逆、多重和稳健组装。

a 在磁场和光场的协同控制下，两个蚂蚁机器人的 180° 和 90° 组装过程示意图。b 时间序列光学图像分别显示了在磁场和光场的协同控制下，两个蚂蚁机器人的 180° 和 90° 组装和相应的分离过程。c 光学图像显示了通过引入单元编号和结合两种组装方法实现的多种形态。d 振动测试装置示意图。包含蚂蚁机器人的载玻片安装在振动发生器上，其中第一个蚂蚁机器人固定在载玻片上，另外两个按照我们提出的策略依次组装。e,f 相图揭示了三个蚂蚁机器人在不同振动参数下 I 形（e）和 C 形（f）的组装稳定性。绿点表示组装的微结构保持完整。红色十字符号表示组装的微结构被破坏。

图4. 单个蚂蚁微型机器人和组装蚂蚁微型机器人穿越间隙。

a 蚂蚁微型机器人和间隙的几何参数。单个蚂蚁微型机器人的身体长度b1为97 μm，重心到上颚前端的距离D1为50 μm。间隙的长度L和高度H分别为120 μm和20 μm。b 由不同数量的单元组装而成的微型机器人可以穿越的间隙长度。c 示意图和光学图显示单个微型机器人无法跨越间隙并完全掉入间隙。d 示意图和光学图显示组装的两个微型机器人也无法跨越间隙并卡在间隙中。e 示意图和光学图显示组装的三个微型机器人成功通过同一间隙。

图5. 不同组装形态的微型机器人集体进行迷宫导航和药物输送。

a 精确输送阿霉素水凝胶块的实验步骤说明。连接在一起的三个微型机器人最初位于迷宫入口外，以 180° 的方式组装，以便利用磁场将它们拉过入口处的狭窄通道。进入迷宫后，在磁场和光场的协调控制下，它们从 180° 组装方式切换到 90° 组装方式，重新配置为 C 形形态，从而允许它们携带载体（红色）。载体的制备方法是将经 TPP 处理的立方体水凝胶块浸入 DOX 溶液（5 mg mL^-1）中 1 小时，以将药物装载到载体上。抓住载体后，利用磁场将其运送到目标位置。之后，它们被重新配置为 I 形形态以释放载体。最后，它们穿过迷宫出口处的狭窄通道。b 光学图像显示了阿霉素水凝胶块的输送过程。每个位置的图像已拼接在一起以显示完整路径。c 荧光对比图像显示在有和没有阿霉素水凝胶块的方形微栅栏中培养的 HeLa 细胞在 12 小时的时间跨度内的荧光变化。d 有和没有阿霉素水凝胶块的 HeLa 细胞的荧光强度的定量统计。误差线表示测量的标准误差（n = 3）。

来源：柔性传感及器件

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU2ODgzMTM5NA==&mid=2247498840&idx=1&sn=a67741f305d35cac5e3c8e342c8bacdb

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