ICM—以应用为导向的高水平创新研究

• 文章导读 ─────────────────────────────────────────────────────────────

在现代机器人技术的发展进程中，机器人的小型化成为一个热门趋势，推动着微型驱动器的创新发展。微型驱动器尺寸小、精度高且功耗低，使其非常适合在小空间、小重量和低能量效率的应用中使用，在人造肌肉、生物医学、能量收集和微流控等诸多领域具有广阔的应用前景。虽然现有的微驱动器已经表现出各式各样非凡的能力，但大多数微驱动器仅限于单向变形。在实际应用中，往往需要多种复杂的变形，而传统的微驱动器却达不到要求。尽管一些现有的微驱动器可以依靠多种能源来维持复杂的变形，但是对多能源的依赖又会带来新的限制，特别是在这些能源不可用或难以获得的场景下。目前利用单一能量源实现微驱动器的复杂变形仍是一个巨大的挑战。

近期，香港城市大学朱平安教授团队基于液滴微流控技术制备了具有壳核结构的非对称微纤维，能够响应湿度变化而产生复杂的“往复式”变形，解决了传统微型驱动器对多重复杂变形的需求以及多种能量源的依赖性的问题。

图文摘要: 新型非对称微纤维驱动器

• 本文亮点 ─────────────────────────────────────────────────────────────

★ 该新型微纤维驱动器可通过单一的湿度变化实现复杂的往复变形；

★ 可通过液滴微流控精确控制微纤维形貌和内部颗粒尺寸，从而调控微纤维变形。

• 图文解读 ─────────────────────────────────────────────────────────────

1. 设计原理

不同于传统双层驱动器的结构设计，新型微纤维驱动器主要由复合海藻酸钠-硅藻土材料组成，其内部嵌入偏心排布于纤维一侧的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微粒带。其中海藻酸钠-硅藻土外壳具有亲水性，可吸水发生溶胀；而PDMS核则具有疏水性，对于湿度无响应。主导纤维吸水失水的各向异性有助于实现可逆的往复变形，揭示了亲水性外壳和疏水性内核之间的复杂相互作用。

图1. 设计原理

2. 微流控技术制造原理

利用液滴微流控技术可以精确制造所设计的非对称微纤维驱动器。在这一过程中，共流微流控装置起到了重要作用。内管放置于外管偏心处确保产生的油滴位于海藻酸钠液体射流的一侧。生成的微纤维干燥后，所有PDMS微粒通过海藻酸钠-硅藻土接头形成单独的结。微纤维的轴线偏离于微粒的轴线，从而导致生成非对称的微纤维形貌。

图2. 微流控技术制造原理

3. 非对称微型纤维的形貌

由于微纤维固有的不对称性，主干和不均匀棘齿状结构之间的体积变化明显不同，从而导致微纤维的变形。微纤维驱动器的水合和脱水过程中的体积变化是可逆的。

图3. 非对称微型纤维的形貌

4. 微型驱动器的往复变形 

水合过程中微纤维曲率半径先变小后变大,脱水过程中曲率半径先变大后变小。水合过程纤维的亲水性外壳首先接触水，同时疏水性微粒疏水。因此与棘齿状结构附近的海藻酸钠-硅藻土相比，主干处优先更快地吸水，导致体积增加，初始阶段曲率半径减小。主干处水快速饱和，棘齿状结构附近的海藻酸钠-硅藻土继续吸水，导致体积增加，第二阶段的曲率半径增加。脱水过程中在主干的海藻酸钠-硅藻土体积较大的情况下，水蒸发得更快，导致体积减小得更快，并在初始阶段向主干处弯曲变形。主干侧完全脱水后停止失水，而棘齿状结构附近的失水过程仍在继续。因此，在第二阶段中，微纤维驱动器在棘齿状结构处体积减小更显著，导致在第一阶段中观察到的方向相反方向上的变形。

图4. 微型驱动器的往复变形

5. 往复变形的调控

可以通过改变微纤维驱动器的形貌来调控变形。利用微流控技术改变微纤维和微颗粒的几何形貌和尺寸，驱动器初始和最终状态下的曲率和变形幅度都发生了变化，而变形的总体趋势保持一致。

图5. 微纤维驱动器往复变形的调控

6. 潜在应用

该微纤维驱动器在操纵液体和固体方面具有多功能性。与传统限于单向变形的驱动器相比，这种能力允许双向变形的微纤维驱动器在任务执行后与目标位置保持一定距离。

图6. 微纤维驱动器的潜在应用

• 总结与展望 ─────────────────────────────────────────────────────────

该研究介绍了一种全新的、通用的策略来设计和制造新型微纤维驱动器，其独特之处在于与传统双层驱动器不同的复杂往复变形。这项研究不仅将促进对非对称微纤维驱动器及其相互变形的理解，还将为下一代驱动器的开发奠定基础，有望提高其通用性和多功能性。

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本文来自香港城市大学朱平安教授团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章：Asymmetric microfiber actuators with reciprocal deformation, https://doi.org/10.1039/D4IM00017J

引用信息: Ind. Chem. Mater., 2023, DOI: 10.1039/D4IM00017J

• 作者简介 ─────────────────────────────────────────────────────────────

通讯作者

朱平安，香港城市大学机械工程系助理教授，主要从事微纳尺度流动基础及应用研究，包括微流控、表界面浸润性、仿生设计和制造、微纳马达/驱动器；在Science, Nature Communications, Advanced Materials, Chemical Reviews等期刊发表论文40余篇，合作出版英文学术专著1部；研究成果获得众多媒体和杂志的重点报道，包括Science News、The Times、News Scientist、Phys.org等；曾获得多项荣誉和奖项，包括2022及2023 Lab on a Chip杰出审稿人、2022 Micromachnies 杰出青年学者奖、2021中国新锐科技人物突出成就奖、2018 TechConnect全球创新奖、2017香港青年科学家奖提名等。欢迎对研究领域感兴趣的博士生加入课题组，联系方式：pingazhu@cityu.edu.hk，个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-zhu-pingan。

第一作者

路宇航，香港城市大学机械工程系研究生。

第一作者

王时雨，香港城市大学机械工程系在读博士研究生。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

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