Nature子刊:機械互鎖的3D多材料微機器人,克服材料加工不相容

2021-02-19 材料科學與工程


















































































































































































































































































































































































































































































編輯推薦：本研究中提出的模塊化製造策略，為克服金屬和水凝膠等不同類別材料之間的加工不相容問題，提供了可能性。

金屬和聚合物在物理化學性質上是不同的材料，但在功能上是互補的。因此，金屬-有機結構可以在小型機器人中引入大量的新應用。然而，目前的製造技術無法加工3D金屬和聚合物元件。近日，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究表明，混合微結構可以通過結合3D光刻，模具鑄造和電沉積實現聯鎖。相關論文以題為「Mechanically interlocked3 D multi-material micro machines」發表在Nature Communications上。https://www.nature.com/articles/s41467-020-19725-6

在許多機械結構中使用聯鎖，來創建不同部件之間的相互物理依賴。這在宏觀機械中很常見，也被化學家廣泛應用於開發分子機械。機械聯鎖分子如連環烷、輪烷和偽輪烷已被用於複雜的機械納米系統，如分子穿梭、開關和相關器件。雖然眾多工作表明，機械聯鎖分子系統通常被限制在納米尺度，從而阻礙了他們在更大的系統，如MEMS和機器人技術的開發。儘管它們有潛在的應用，但製造機械互連納米器件的方法依賴於複雜的有機合成協議，限制了它們與金屬等其他材料的集成。新穎的製造方法可以克服這些限制，從而提供了大量新的金屬-有機結構。

在微、納米機器人領域，已經有各種各樣的例子，機器能夠在不同的流體環境中遊泳，運輸和釋放貨物，觸發化學反應。許多複雜的結構已經證明，從螺旋、腳手架到阿基米德螺杆泵等。製造技術，如軟光刻微轉移模塑允許製造閉環和簡單的聯鎖單個材料結構。然而，小型遊泳者的實現，建立在由不同材料組合而成的互連組件上，比如軟模塊和硬模塊，仍有待開發。聯鎖不同的材料，如金屬，聚合物，和其他家族的材料，將在多個領域和技術上開闢許多途徑，在這些領域和技術中需要具有不同功能的多材料組件。聯鎖還可以通過集成智能材料促進組件之間的程序斷開，這些材料可以在一定的刺激下降解，而不會使整個機器癱瘓。3D模板輔助沉積是一種可靠的製備全金屬和多功能高分子微結構的方法。在醫用微機器人領域，使用全鐵結構是最有前途的生物相容性的方法，可用於需要增強磁性性能的應用。然而，它們在高級功能方面是有限的，例如貨物運送、形狀轉換和可控制的退化，使用軟結構更容易實現這些。在此，研究者表明：在模板輔助方法中的減材製造步驟，能夠保證金屬與高分子3D成型，在微觀尺度上的加工相容性。理論上，許多聯鎖的策略和設計可以被開發。然而，研究者觀察到，獨立形狀的組合是有限制的。研究者展示了一種製造策略，通過3D光刻和電沉積的方式，結合軟材料和硬材料的聯鎖來生產微型機器人設備。在正光刻膠層內部可以產生多個獨立的3D孔。研究者的方法可以用於實現，具有前所未有的解析度和拓撲複雜性的複雜多材料微器件。研究表明，金屬成分可以與不同種類的聚合物組成的結構結合。金屬和聚合物的特性可以並行開發，從而產生具有高磁響應性、提高載藥能力、隨需應變的形狀變化和彈性行為的結構。

圖1 製造聯鎖結構。

綜上所述，本研究中提出的模塊化製造策略，為克服金屬和水凝膠等不同類別材料之間的加工不相容問題，提供了可能性。研究者證明了通過機械聯鎖多材料3D，為微機器人中嵌入先進的功能，而不需要降低諸如增強的磁響應性、生物相容性和載藥能力等因素。這種新的製造範式，可以使製造出從未用其他技術演示過的系統成為可能。（文 ：水生）

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