【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】尺寸在微米到厘米級(jí)別的微尺度游泳驅(qū)動(dòng)器，在外界信號(hào)(如電場、磁場、化學(xué)物質(zhì)、光等)的刺激下，在液體表面或體相中執(zhí)行各種游泳運(yùn)動(dòng)模式，在能量轉(zhuǎn)換、靶向給藥、生物醫(yī)學(xué)工程和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。光作為一種普遍存在的能源，易于實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間的控制，并具有遠(yuǎn)程操控、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前實(shí)現(xiàn)的光驅(qū)動(dòng)游動(dòng)主要包括三種模式：形變驅(qū)動(dòng)、蒸汽/氣泡驅(qū)動(dòng)、基于化學(xué)/熱Marangoni效應(yīng)(表面張力梯度驅(qū)使液體流動(dòng))的表面張力驅(qū)動(dòng)。最初的游泳驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于只有一個(gè)馬達(dá)，隨著光照信號(hào)的開關(guān)，驅(qū)動(dòng)器做出走和停的相應(yīng)行為，但實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)還需要一個(gè)控制方向的方向盤，即在平面內(nèi)加一個(gè)自由度-轉(zhuǎn)動(dòng)。對于游泳驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)意味著要對驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)施加不對稱的驅(qū)動(dòng)力。傳統(tǒng)方法是把光束聚焦在驅(qū)動(dòng)器的某一個(gè)非中心部位，產(chǎn)生不平衡的推動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。但對于微尺度驅(qū)動(dòng)器，要在運(yùn)動(dòng)過程中把光亦步亦趨地聚焦于其上的某一個(gè)特定點(diǎn)難以維持的。因此，設(shè)計(jì)一種大光斑全覆蓋照射，即在全區(qū)域光操控下實(shí)現(xiàn)包含平移和轉(zhuǎn)動(dòng)的多自由度運(yùn)動(dòng)可編程游泳驅(qū)動(dòng)器成為挑戰(zhàn)。
 

　　近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心研究人員與中科院力學(xué)研究所合作，通過將不同的波長參數(shù)引入光信號(hào)，基于波長控制的光熱Marangoni效應(yīng)，在全區(qū)域光照下實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜光信號(hào)驅(qū)動(dòng)的可編程多自由度游泳驅(qū)動(dòng)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(yīng)產(chǎn)生非對稱的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)。該工作實(shí)現(xiàn)了雙波長驅(qū)動(dòng)的線性進(jìn)-退運(yùn)動(dòng)(1D)與左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(2D)，轉(zhuǎn)速可調(diào)的順時(shí)針/逆時(shí)針方向齒輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此外，結(jié)合運(yùn)用三種不同的光信號(hào)(532 nm的綠光、650 nm的紅光和連續(xù)波長的白光)可使驅(qū)動(dòng)器靈活地穿過復(fù)雜迷宮。上述功能性運(yùn)動(dòng)模式顯示了其在游動(dòng)任務(wù)執(zhí)行中的應(yīng)用潛力。
 

　　雖然Marangoni效應(yīng)被廣泛運(yùn)用于各種驅(qū)動(dòng)器，但納牛級(jí)別的驅(qū)動(dòng)力難以用儀器直接測量，且由于表面體系的復(fù)雜性，基于表面張力對驅(qū)動(dòng)力的理論計(jì)算量值往往存在較大偏差。通過與中科院力學(xué)所研究員關(guān)東石課題組合作，該工作建立了一種直接測量水面游動(dòng)器件驅(qū)動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先利用一根拉伸毛細(xì)管(針尖直徑3 μm)直接測量出驅(qū)動(dòng)器游動(dòng)時(shí)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(zhǔn)了針尖位移所對應(yīng)的作用力大小。測試結(jié)果與通過驅(qū)動(dòng)器加速度計(jì)算的力學(xué)數(shù)值吻合較好，從實(shí)驗(yàn)測量角度為各類游動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)表征與理論分析提供了依據(jù)。在制造方面，該系統(tǒng)所采用的材料通用常見、成本低廉，制作方法簡便省時(shí)，這種可獲得性為大規(guī)模制造、模塊化裝配/替換以及定制化設(shè)計(jì)提供了可能。此外，該工作也為基于光的多參數(shù)(強(qiáng)度、波長、偏振)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了有益視角。
 

　　相關(guān)研究成果以Programmable Light-Driven Swimming Actuators via Wavelength Signal Switching為題，發(fā)表在Science Advances上。