尺寸在微米到厘米級別的微尺度游泳驅動器，在外界信號（如電場、磁場、化學物質、光等）的刺激下，在液體表面或體相中執行各種游泳運動模式，在能量轉換、靶向給藥、生物醫學工程和環境修復等領域有廣闊應用前景。光作為一種普遍存在的能源，易于實現空間和時間的控制，并具有遠程操控、綠色環保等優點。目前實現的光驅動游動主要包括三種模式：形變驅動、蒸汽/氣泡驅動、基于化學/熱Marangoni效應（表面張力梯度驅使液體流動）的表面張力驅動。最初的游泳驅動器相當于只有一個馬達，隨著光照信號的開關，驅動器做出走和停的相應行為，但實現自由運動還需要一個控制方向的方向盤，即在平面內加一個自由度-轉動。對于游泳驅動器，轉動意味著要對驅動器兩側施加不對稱的驅動力。傳統方法是把光束聚焦在驅動器的某一個非中心部位，產生不平衡的推動力來實現轉動。但對于微尺度驅動器，要在運動過程中把光亦步亦趨地聚焦于其上的某一個特定點難以維持的。因此，設計一種大光斑全覆蓋照射，即在全區域光操控下實現包含平移和轉動的多自由度運動可編程游泳驅動器成為挑戰。

  近日，中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心研究人員與中科院力學研究所合作，通過將不同的波長參數引入光信號，基于波長控制的光熱Marangoni效應，在全區域光照下實現了復雜光信號驅動的可編程多自由度游泳驅動器。該研究制備了不同染料摻雜的聚二甲基硅氧烷作為波長選擇性光熱單元，在特定波長光的照射下獲得非對稱的光熱模式及表面張力梯度，通過Marangoni效應產生非對稱的驅動力實現多自由度運動。該工作實現了雙波長驅動的線性進-退運動（1D）與左轉/右轉運動（2D），轉速可調的順時針/逆時針方向齒輪旋轉運動。此外，結合運用三種不同的光信號（532 nm的綠光、650 nm的紅光和連續波長的白光）可使驅動器靈活地穿過復雜迷宮。上述功能性運動模式顯示了其在游動任務執行中的應用潛力。

  雖然Marangoni效應被廣泛運用于各種驅動器，但納牛級別的驅動力難以用儀器直接測量，且由于表面體系的復雜性，基于表面張力對驅動力的理論計算量值往往存在較大偏差。通過與中科院力學所研究員關東石課題組合作，該工作建立了一種直接測量水面游動器件驅動力的實驗系統。該實驗系統首先利用一根拉伸毛細管（針尖直徑3 μm）直接測量出驅動器游動時造成的針尖位移，后通過增重法（added-mass method）使用一系列水滴校準了針尖位移所對應的作用力大小。測試結果與通過驅動器加速度計算的力學數值吻合較好，從實驗測量角度為各類游動驅動器的力學表征與理論分析提供了依據。在制造方面，該系統所采用的材料通用常見、成本低廉，制作方法簡便省時，這種可獲得性為大規模制造、模塊化裝配/替換以及定制化設計提供了可能。此外，該工作也為基于光的多參數（強度、波長、偏振）控制驅動系統提供了有益視角。

  相關研究成果以Programmable Light-Driven Swimming Actuators via Wavelength Signal Switching為題，發表在Science Advances上。

  論文鏈接

圖1.基于marangoni效應的波長選擇性游動驅動示意圖

圖2.游泳驅動器的驅動力直接實驗測量系統

責任編輯：閻芳

來源：理化技術研究所