基于微流控的微型冲浪板，通过无束缚磁泵进行可控驱动

科技 2024-09-25 00:01 上海

微流控技术为高通量药物和病理分析提供了一种强大的平台。微流控技术的优势之一，是能够精确处理微升/纳升量级的液体，这对于“芯片实验室（lab-on-a-chip）”器件尤其有用。经过数十年的发展，微流控系统中的各种流量控制元件相继被开发出来，例如微泵和微阀，它们有助于精确控制流体流量。

这些功能的实现使软体机器人系统的开发成为可能，它们的本体会因微流控回路中的压力而发生形变。由此，软体机器人可以实现各种不同的功能，例如抓握、陆地运动和水下航行等。此外，微型机器人还能通过通道可控的液体释放，而产生推进力。

与传统的液压和气动系统不同，微流体在低雷诺数模型中流动时，粘性力占主导地位。这就使得传统的流体喷射机制，无法应用于微流体推进。为了开发微型机器人的高效推进机制，研究人员尝试了从大自然中汲取灵感。

研究发现，表面活性剂诱导的马兰戈尼效应（Marangoni effect），被某些半水栖昆虫（例如小宽蝽和罗夫甲虫）用于在水面上实现高机动的“凌波微步”。马兰戈尼效应的核心在于表面张力的差异。当两种表面张力不同的液体接触时，表面张力较低的液体区域会吸引到表面张力较高的液体区域，从而形成质量移动。这些昆虫通过释放表面活性剂，产生表面张力梯度，从而产生一股推动力，使它们最高可以达到17 cm/s的峰值速度（或步行速度的两倍），以逃离捕食者的追捕。

利用溶质马兰戈尼效应驱动微型冲浪板的物理原理已得到广泛研究，展示了利用溶质马兰戈尼效应高效推动小尺度物体，以及在监测和探索水生环境方面的应用潜力。尽管学界对马兰戈尼微型冲浪板的机理进行了大量研究，但其推进力的可控性，仍然是一个具有挑战性的课题。

在已有报道的研究中，研究人员曾尝试在厘米级的马兰戈尼冲浪板中使用无束缚磁泵。然而，在之前的设计中，流体通过泵腔顶部放置的永久磁铁驱动，无法按需控制。为了提高可控性，有必要采用带有主动元件的微流控泵。在过去的几十年中，已经开发出各种机制驱动的微流控泵，例如压电元件和气动通道层。然而，传统的微流控泵通常都需要连接电源或加压气源。对于要求自由运动的微型机器人，这限制了它们的应用潜力。

基于微流控的马兰戈尼冲浪板的设计与工作原理。微型冲浪板由表面活性剂释放引起的表面张力梯度来驱动。外部磁场控制的无束缚磁泵可以控制表面活性剂的释放。

据麦姆斯咨询报道，荷兰特文特大学和格罗宁根大学医学中心的研究人员提出了一种可通过外部磁场控制的无束缚磁泵。这种无束缚磁泵利用了两个软磁元件之间的磁相互作用力。当两个软磁体放置在与它们平行的均匀磁场中时会被磁化，从而在两个软磁体之间产生吸引力。这种磁力可使泵腔上的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜变形，然后通过与其连接的通道推出表面活性剂溶液。研究人员还设计了一个扩散器通道（喷嘴），可以实现不同流动方向上的非对称流速，以调整流体的流动。

无束缚磁泵工作原理示意图。泵送机构由两根磁性软铁氧体棒之间的相互作用力驱动。磁相互作用力使弹性PDMS膜变形，驱动表面活性剂在连接的扩散器通道（喷嘴）中流动。

研究人员首先使用磁偶极子模型和有限元分析来模拟放置在均匀磁场中的两个软磁体之间的磁相互作用力。研究人员将这种作用力与由此产生的PDMS膜变形联系起来，以估算泵送过程中的位移体积。

研究人员通过数值方法研究了两个软磁体在外部磁场作用下的磁相互作用力、与之相对应的膜变形，以及喷嘴与几何参数相关的性能，以支持微型冲浪板的设计选择。

研究人员根据所构建的模型设计了一种微型软磁泵，并通过实验对其性能进行了表征。测量了流量与致动频率和外部磁场振幅的函数关系。最后，研究人员利用微型软磁泵演示了对基于微流控的马兰戈尼冲浪板进行可控的停止和运动。

上述研究成果已经以“Untethered soft magnetic pump for microfluidics-based Marangoni surfer”为题发表于Scientific Reports期刊。

无束缚磁泵和基于微流控的马兰戈尼冲浪板的实验演示。（a）实验装置的俯视图（下）和侧视图（上）。该装置包括一个蓄液池、一个磁泵和一个用于测量流速的蛇形微流控通道。（b）无束缚磁泵工作时间戳。驱动信号的波形是不同频率下振幅为40 mT的方波。示例中，泵的驱动频率为8 Hz。（c）泵流速和驱动频率变化的关系。（d）基于微流控的马兰戈尼冲浪板的运动实验。在没有外加磁场的情况下，冲浪板保持静止。接下来，通过手动控制逐渐增加磁场强度，可以观察到由于磁场的不均匀性导致的冲浪板轻微旋转。当磁场强度达到35 mT时，储存在泵腔室中的表面活性剂被释放出来，并推动冲浪板朝运动方向前进。实验过程重复了三次，展示了表面活性剂的多步释放，并证明了使用所开发无束缚磁泵控制表面活性剂释放的可行性。（比例尺为20 mm）

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41598-024-70944-z

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