電子科技大學(xué)及南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：3D打印磁性軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)液滴的靈活操縱及體外診斷
微型軟體機(jī)器人可以主動(dòng)改變自身的形狀以實(shí)現(xiàn)更加靈活的運(yùn)動(dòng)和操作,因而十分擅長(zhǎng)在小尺寸且空間受限的環(huán)境中工作，這一獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將使得他們被廣泛地運(yùn)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。磁驅(qū)動(dòng)是目前控制軟體機(jī)器人最流行的方法之一，因?yàn)榇膨?qū)動(dòng)具備可以遠(yuǎn)程無(wú)線控制、響應(yīng)快速且易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。然而由于制造技術(shù)受限，目前大多數(shù)磁性軟體機(jī)器人是由翻模鑄造，通常需要繁瑣及耗時(shí)的制作步驟且局限于2D結(jié)構(gòu)，因而功能簡(jiǎn)單且單一。
3D打印技術(shù)為打破這種局限提供了可能。立體光固化3D打印技術(shù)（Vat Photopolyerization，簡(jiǎn)稱VP）具有高精度、高分辨率、快速成型等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)立體光固化技術(shù)，3D打印添加了磁性顆粒填料的彈性樹(shù)脂，可以實(shí)現(xiàn)微型磁性軟體機(jī)器人的快速整體成型。然而在普通的立體光固化平臺(tái)上，如果使用納米尺度的磁性顆粒填料，磁性顆粒會(huì)對(duì)樹(shù)脂基質(zhì)的光吸收造成很大的干擾。如果使用粒徑較大的微米尺度磁性顆粒填料，雖然對(duì)光吸收干擾較小，但是磁性顆粒會(huì)快速沉降到容器底部，這將導(dǎo)致磁性填料在打印部件中的分布不均勻，甚至導(dǎo)致打印無(wú)法完成。因此，大多數(shù)前期研究只使用納米磁性顆粒作為磁性填料，同時(shí)保持較低的載量（<1%) 來(lái)確保磁性復(fù)合材料能夠成型，然而此類材料打印的微型機(jī)器人不能產(chǎn)生大的磁力用以驅(qū)動(dòng)微型結(jié)構(gòu)的形變，這些機(jī)器人大多只能實(shí)現(xiàn)剛性移動(dòng)，通常也需要在液體環(huán)境中，利用液體的潤(rùn)滑特性與浮力來(lái)減少運(yùn)動(dòng)的阻力。
本文提出了一種新型的循環(huán)立體光固化3D打印技術(shù)（Circulating Vat Photopolymerization, 簡(jiǎn)稱CVP)來(lái)解決上述問(wèn)題。CVP在普通立體光固化平臺(tái)中整合了一套樹(shù)脂循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在打印過(guò)程中能不斷地對(duì)磁性復(fù)合材料進(jìn)行混合，從而保證顆粒在樹(shù)脂中的均勻分布。本文發(fā)現(xiàn)并解釋了磁性顆粒的材料和尺寸對(duì)光固化3D打印過(guò)程的影響，論證了鍶鐵氧體（SrFe12O19）磁性顆粒作為磁性填料的優(yōu)越性，其作為磁性填料在磁性樹(shù)脂中載量可高達(dá)30%。通過(guò)使用CVP，本文展示了各種一次成型的栓系和非栓系微型磁性軟體機(jī)器人以及其通過(guò)3D形變操縱液滴的能力。通過(guò)合理的自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)不同的磁性軟體機(jī)器人通力合作，成功地展示了針對(duì)碳青霉烯類抗生素耐藥性的檢測(cè)，這是目前其他類型的磁性微型軟體機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)的。
CVP的復(fù)合樹(shù)脂循環(huán)系統(tǒng)由特制的樹(shù)脂槽、循環(huán)泵、渦旋攪拌器以及連接用的軟管組成（圖1a），在打印的過(guò)程中，循環(huán)泵不斷地將樹(shù)脂槽底部的磁性復(fù)合樹(shù)脂送入到渦旋攪拌器中，攪拌混合后得到的磁性復(fù)合樹(shù)脂再次被送入樹(shù)脂槽中，從而確保混合物的均質(zhì)性。CVP所打印的樣品在打印方向上沒(méi)有顯示出明顯的顏色變化，非常清晰地表明磁性顆粒填料的均勻分布。與CVP相反，VP的樣品隨著打印的進(jìn)行，顏色逐漸變淡直至透明；這正是因?yàn)榇蛴∵^(guò)程中顆粒沉淀所導(dǎo)致的（圖1b）。樣品的多個(gè)橫截面示意圖也表明，磁性復(fù)合樹(shù)脂的流動(dòng)未對(duì)磁性顆粒填料的分布和打印過(guò)程造成影響（圖1b）。同時(shí)，與VP樣品相比，CVP樣品中的密度分布（圖1c）相對(duì)一致，鐵（Fe）、鍶（Sr）元素的分布鋪滿整個(gè)可視區(qū)域、沒(méi)有明顯的空洞（圖1d），這些進(jìn)一步表明CVP能有效地保持復(fù)合材料的高勻質(zhì)度。
圖1：循環(huán)立體光固化（CVP）3D打印技術(shù)：a) 樹(shù)脂循環(huán)系統(tǒng)示意圖；b) 普通循環(huán)立體光固化（VP）與CVP打印的樣品對(duì)比，Bottom代表這部分首先打印，Top代表這部分最后打印；iii & iv 分別是i & ii 中虛線部分的橫截面；c) b 中樣品不同部位的密度對(duì)比；d) b中樣品Bottom 和 Top 部位中鐵元素（Fe）和鍶元素（Sr）的分布對(duì)比。
磁性顆粒填料的沉降效應(yīng)與對(duì)光子的吸收率極大地限制了目前普通光固化打印磁性復(fù)合材料的能力。顆粒填料對(duì)光子的吸收使得樹(shù)脂不能得到足夠的能量進(jìn)行固化，顆粒的沉降則會(huì)導(dǎo)致磁性顆粒填料在復(fù)合材料中的分布不均。本文研究了三種常用的磁性顆粒填料–氧化鐵（Fe3O4）、銣鐵硼（NdFeB）、鍶鐵氧體（SrFe12O19） –對(duì)打印過(guò)程的影響。這三種填料的吸收光譜圖顯示（圖2a）在相同載量及相似尺寸的情況下，鍶鐵氧體對(duì)光子的吸收能力最弱，因而鍶鐵氧體可以在磁性復(fù)合樹(shù)脂中保持高的載量。磁性顆粒的大小也至關(guān)重要，光子的吸收能力會(huì)隨著顆粒的粒徑的增大而減小（圖2b）。然而，粒徑并不是越大越有利，越大的粒徑沉降速度也會(huì)越快（圖2c）。綜合光吸收與沉降特性，3-6微米的鍶鐵氧體磁性顆粒因其對(duì)光子比較弱的吸收能力與適中的沉降速率，被選作為最適合用來(lái)打印磁性復(fù)合材料的填料。樹(shù)脂中添加填料不可避免的會(huì)對(duì)樹(shù)脂的流變特性產(chǎn)生影響，隨著填料載量的增加，磁性復(fù)合樹(shù)脂表現(xiàn)出明顯的剪切稀化現(xiàn)象（圖2d、圖2e），然而這種影響非常小，并不會(huì)影響CVP的打印流程。CVP打印的復(fù)合材料隨著填料載量的增加機(jī)械強(qiáng)度逐漸減少，相應(yīng)的楊氏模量也逐漸減小（圖2f、圖2g）；這是由于CVP中的磁性填料并未與樹(shù)脂產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合，磁性填料只是空間上被限制在樹(shù)脂形成的網(wǎng)格中，被磁性填料占據(jù)的空間降低了樹(shù)脂之間的連接，從而降低了機(jī)械強(qiáng)度。這一特性有利于磁性軟體機(jī)器人的制造。磁性填料的增加同時(shí)使得磁性復(fù)合材料具備可以被永久磁化的特性，各種載量的磁滯回線也顯示（圖2h）隨著載量的增加CVP的磁性復(fù)合材料展現(xiàn)出越來(lái)越高的剩余磁化強(qiáng)度，所以該材料為硬磁材料。CVP是基于傳統(tǒng)的光固化打印技術(shù)，因而可以非常快速地、靈活地部署在現(xiàn)有的商業(yè)打印機(jī)中，并且不會(huì)影響打印機(jī)的精度，可以用來(lái)打印非常復(fù)雜的微型結(jié)構(gòu)且可以在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生所需的形變（圖2 i~k）。本文所展現(xiàn)的3D打印磁性復(fù)合材料展現(xiàn)出非常良好的彈性與磁化特性，打印的結(jié)構(gòu)本身就可以被磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，因而非常適合用來(lái)制作磁性微型軟體機(jī)器人。
圖2：CVP的特性分析: a) 相近尺寸的鍶鐵氧體（SrFe12O19）、氧化鐵（Fe3O4）和銣鐵硼（NdFeB）顆粒的吸收光譜；b)不同尺寸鍶鐵氧體（SrFe12O19）顆粒的吸收光譜；c)不同尺寸鍶鐵氧體（SrFe12O19）顆粒在樹(shù)脂中的下降速率；d)復(fù)合樹(shù)脂在不同剪切速率下的粘度;e)600~900 s-1的平均剪切速率；f)不同磁性顆粒含量樣品（CVP）的應(yīng)力應(yīng)變圖；g)不同磁性顆粒含量樣品（CVP）的楊氏模量；h)不同磁性顆粒含量樣品（CVP）的磁滯回線；i-k) CVP打印的微型結(jié)構(gòu)；k) 磁性彈簧的線徑為300微米，外徑為900微米。
本文演示了由CVP制造的幾類設(shè)計(jì)用于液滴操縱的栓系和非栓系微型磁性軟體機(jī)器人。所展示的機(jī)器人均一次整體成型且磁性顆粒載量高(15%)，單個(gè)的打印時(shí)間在5~30分鐘左右，除了移除打印過(guò)程中的支撐結(jié)構(gòu)，均不需要額外的粘接、切割等組裝步驟。在適當(dāng)?shù)耐獠看艌?chǎng)驅(qū)動(dòng)下，不僅可以實(shí)現(xiàn)剛性移動(dòng)，還可以完成可逆形變，實(shí)現(xiàn)4D打印（即可變3D打印）。
微型磁性軟體機(jī)械爪的爪子部分與基座為懸臂梁結(jié)構(gòu)（圖3a），當(dāng)磁鐵靠近機(jī)械爪底部的時(shí)候，爪子被拉向靠近磁鐵，此時(shí)爪子張開(kāi)；當(dāng)磁鐵被移走時(shí)，爪子自身的彈性將使爪子復(fù)位，此時(shí)爪子處于關(guān)閉狀態(tài)。傳統(tǒng)的機(jī)械爪是用來(lái)抓取固體物品，然而當(dāng)本文的機(jī)械爪表面覆蓋上一層超疏水涂層時(shí)，機(jī)械爪不僅可以用來(lái)抓取固體物品（圖3d），更重要的是可以用來(lái)抓取液滴（圖3b）。此外，該機(jī)械爪還可以用來(lái)融合liquid marble. Liquid marble 是在液滴的表面覆蓋了一層由超疏水顆粒形成的膜，由于這層膜的存在，使得liquid marble之間的融合非常困難。目前的做法是將兩個(gè)liquid marble以一定的角度高速碰撞，這種方法非常不容易控制，liquid marble經(jīng)常互相彈開(kāi)；另一種方法是使用高壓，利用電荷的相互吸引促使liquid marble的融合，但是這需要上千伏的電壓，容易引起安全事故。本文的機(jī)械爪可以同時(shí)抓起兩個(gè)liquid marble，通過(guò)擠壓的方式將其融合（圖3c），非常的簡(jiǎn)單高效。該機(jī)械爪的最大開(kāi)合角度為35°，開(kāi)合速度為8.4°/s，每個(gè)爪子可以提供約4.7mN的力，可以抓起3~50微升的液滴和0.958g的固體物品，并在1萬(wàn)次開(kāi)合后仍能正常工作。
圖3：磁性軟體機(jī)械爪：a）機(jī)械爪的工作原理；b）機(jī)械爪抓取并移動(dòng)液滴；c)機(jī)械爪同時(shí)抓起兩個(gè)marble,通過(guò)擠壓使之融合；d）機(jī)械爪抓取普通的物體。
微型磁性軟體毛毛蟲(chóng)和木馬機(jī)器人有著相同的運(yùn)動(dòng)原理。以毛毛蟲(chóng)機(jī)器人為例（圖4c），當(dāng)磁鐵靠近毛毛蟲(chóng)的底部時(shí)，會(huì)施加一個(gè)指向磁鐵方向的強(qiáng)磁力FT，FT水平方向的分力將尾巴拉向頭部使得彈簧結(jié)構(gòu)壓縮，同時(shí)，頭部因?yàn)榇怪狈较虻膹?qiáng)磁力而產(chǎn)生足夠大的靜摩擦力使得頭部保持不動(dòng)；當(dāng)磁鐵被快速移除時(shí)，彈簧結(jié)構(gòu)開(kāi)始釋放彈性勢(shì)能，頭部與尾巴同時(shí)受到彈簧的推力，由于尾巴比頭部大，質(zhì)量與接觸面積更大，最大靜摩擦力也更大，所以尾巴保持不動(dòng)，彈簧的推力克服頭部的最大靜摩擦力使其向前移動(dòng)。通過(guò)不斷重復(fù)上述步驟可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前移動(dòng)。這兩個(gè)機(jī)器人的表面也被覆蓋了一層超疏水涂層，使得他們可以被用于在指定的路徑上推動(dòng)液滴前進(jìn)。毛毛蟲(chóng)機(jī)器人只可以推動(dòng)一個(gè)液滴（圖4d），而木馬機(jī)器人可以同時(shí)推動(dòng)兩個(gè)液滴，磁鐵的接近與遠(yuǎn)離可以分別使得木馬的后腿與前腿踢動(dòng)一次液滴。如果毛毛蟲(chóng)機(jī)器人的尾部被固定住，還可以用來(lái)以6.6m/s的速度將液滴彈射出去（圖4e）。毛毛蟲(chóng)機(jī)器人的平均步幅為2.86mm（20.4% 的自身長(zhǎng)度，圖4g），木馬機(jī)器人的平均步幅為2.81mm （28.1%的自身長(zhǎng)度，圖4h），其他方法制備的磁性軟體機(jī)器人的步幅大約處于15~29%的自身長(zhǎng)度，相比之下，毛毛蟲(chóng)和木馬機(jī)器人是非常有優(yōu)勢(shì)的。盡管毛毛蟲(chóng)的尾部與木馬機(jī)器人的后腿會(huì)有輕微的后退現(xiàn)象，但這并不影響整體的前進(jìn)動(dòng)作。
與上述介紹的機(jī)器人不同，微型磁性軟體水母機(jī)器人（圖4i）充分利用了鍶鐵氧體可被永久磁化的特性。打印完成后，水母機(jī)器人被定制的夾具固定住，然后放入1.1T的均勻磁場(chǎng)中在特定的方向上磁化。水母機(jī)器人是被一個(gè)由9個(gè)電磁鐵所組成的均勻磁場(chǎng)所控制的，20 mT的垂直向上磁場(chǎng)會(huì)使水母機(jī)器人的觸手向上運(yùn)動(dòng)，-8mT的垂直向下磁場(chǎng)會(huì)使觸手向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這兩種磁場(chǎng)以5Hz的頻率交替出現(xiàn)時(shí)，中空的水母機(jī)器人所受到的浮力和觸手運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的推力共同作用使得水母機(jī)器人以4.8mm/s的速度向上游動(dòng)。本文同時(shí)還展示了另外兩個(gè)可在水中以剛性運(yùn)動(dòng)前進(jìn)的微型機(jī)器人：魚(yú)形機(jī)器人與螺旋機(jī)器人（圖5）。魚(yú)形機(jī)器人也是由上下震蕩的磁場(chǎng)所驅(qū)動(dòng)，它的整個(gè)身體在水中上下拍打類似于魚(yú)類的游動(dòng)，從而產(chǎn)生推力。螺旋機(jī)器人則由一個(gè)垂直于前進(jìn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使其不斷旋轉(zhuǎn)，用來(lái)將液體推向后方，從而推動(dòng)其向前運(yùn)動(dòng)。
圖4：非栓系磁性微型機(jī)器人：a）毛毛蟲(chóng)機(jī)器人 ；b）木馬機(jī)器人；c）毛毛蟲(chóng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理；d）毛毛蟲(chóng)機(jī)器人推動(dòng)一個(gè)液滴；e) 毛毛蟲(chóng)機(jī)器人將一個(gè)液滴射向另一個(gè)液滴，使之融合；f) 木馬機(jī)器人同時(shí)推動(dòng)兩個(gè)液滴；g)毛毛蟲(chóng)機(jī)器人的步幅；h)木馬機(jī)器人的步幅；i）水母機(jī)器人以及它的磁化方向；j) 水母機(jī)器人在水里向上游動(dòng)。
圖5：水下磁性微型機(jī)器人：a）螺旋機(jī)器人的磁化方向以及其沿著方形路徑的移動(dòng)；b) 小魚(yú)機(jī)器人的磁化方向以及其沿著Z路徑的移動(dòng)。
磁性微型軟體機(jī)器人對(duì)液滴的靈活操作能力非常適用于磁性數(shù)字微流體平臺(tái)，傳統(tǒng)的磁性數(shù)字微流體平臺(tái)依賴于在液滴中加入磁性顆粒，液滴只能在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而微型機(jī)器人可以輕易地讓液滴在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，有利于促進(jìn)磁性數(shù)字微流體平臺(tái)的發(fā)展。作為這種潛力的有力證明，本文的作者設(shè)計(jì)并制造了磁性軟體機(jī)器人自動(dòng)化控制平臺(tái)并且成功實(shí)現(xiàn)對(duì)碳青霉烯類抗生素耐藥性的檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程全程自動(dòng)化，無(wú)需人工干預(yù)，最大程度上保證了操作人員的安全與減少樣品的污染。該平臺(tái)主要由一個(gè)工具箱，一個(gè)超疏水反應(yīng)臺(tái)和一個(gè)機(jī)械臂組成（圖6a）。工具箱包含生物檢測(cè)所需要的基本工具，反應(yīng)臺(tái)是液滴進(jìn)行各種操作的平臺(tái)，機(jī)械臂可以自動(dòng)選擇每個(gè)步驟需要的工具并進(jìn)行試劑的分發(fā)、樣品的添加以及液滴的移動(dòng)與融合等功能。機(jī)械臂首先控制機(jī)械爪從微流體液滴生成器的出口處抓取并將反應(yīng)緩沖液滴和樣品緩沖液滴放置在反應(yīng)臺(tái)上的指定位置（圖6bi~iv），右側(cè)的反應(yīng)緩沖液滴包含亞胺培南（一種碳青霉烯類抗生素藥物），左側(cè)的則不包含作為控制對(duì)照組；機(jī)械臂接著選擇樣品添加工具將細(xì)菌從培養(yǎng)基中添加入兩個(gè)樣品緩沖液滴中并且上下震動(dòng)使細(xì)菌充分融入液滴中（圖6bv~vi）；然后機(jī)械臂選擇機(jī)器人放置工具將毛毛蟲(chóng)機(jī)器人放在反應(yīng)臺(tái)上指定位置（圖6bvii~ix），機(jī)械臂再次選擇機(jī)器人驅(qū)動(dòng)工具來(lái)控制毛毛蟲(chóng)機(jī)器人推動(dòng)兩個(gè)液滴進(jìn)行融合（圖6bx），待液滴融合之后，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)工具還可以用來(lái)將使用過(guò)的機(jī)器人丟棄到指定位置（圖6bxi~xii）；剩下的兩個(gè)液滴則由另一個(gè)毛毛蟲(chóng)機(jī)器人在相同的操作下融合；融合的過(guò)程中，機(jī)械臂會(huì)選擇混合工具在液滴中進(jìn)行攪拌使之充分融合（圖6bxiii）；最后機(jī)械臂將用一個(gè)蓋子罩住液滴減少液滴的蒸發(fā)，液滴將充分反應(yīng)1個(gè)小時(shí)（圖6bxiv~xvi）。如果該細(xì)菌是有耐藥性，則它將水解亞胺培南，反應(yīng)緩沖液滴從紅色變?yōu)辄S色。與之相反，反應(yīng)緩沖液滴保持紅色則表明該細(xì)菌沒(méi)有耐藥性。本文一共測(cè)試了8種細(xì)菌，反應(yīng)結(jié)果被映射到CIE 1931色彩空間（圖6c）作為定量分析，其非常清晰地表明與目前成熟的方法所獲得的結(jié)果相一致（圖6d）。
圖6：可進(jìn)行體外診斷的磁性微型軟體機(jī)器人自動(dòng)化控制平臺(tái)：a）自動(dòng)化控制平臺(tái)示意圖；b）在平臺(tái)上對(duì)碳青霉烯類抗生素耐藥性進(jìn)行檢測(cè)的操作程序：i-ii：放置反應(yīng)緩沖液滴；iii-iv：放置樣品緩沖液滴；v：從培養(yǎng)基上提取細(xì)菌；vi：將細(xì)菌放入樣品緩沖液的液滴中；vii-ix：放置毛毛蟲(chóng)機(jī)器人于反應(yīng)平臺(tái)上的適當(dāng)位置；x：毛毛蟲(chóng)機(jī)器人在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下推動(dòng)液滴進(jìn)行融合；xi-xii：使用過(guò)的毛毛蟲(chóng)機(jī)器人被丟棄在指定位置；xiii：在液滴內(nèi)部進(jìn)行攪拌，保證液滴的充分融合；xiv-xv: 蓋子罩住液滴；xvi：充分反應(yīng)1小時(shí)后；c）檢測(cè)的結(jié)果映射到CIE 1931色彩空間，有耐藥性的細(xì)菌在+區(qū)域，沒(méi)有耐藥性的細(xì)菌在-區(qū)域；d）8種細(xì)菌的檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)方法得到的結(jié)果對(duì)比。
原文鏈接：
Magnetic Soft Millirobots 3D Printed by Circulating Vat Photopolymerization to Manipulate Droplets Containing Hazardous Agents for In Vitro Diagnostics
Aiwu Zhou,Changyu Xu,Pojchanun Kanitthamniyom,Chelsea Shan Xian Ng,Gerard Joseph Lim,Wen Siang Lew,Shawn Vasoo,Xiaosheng Zhang,Guo Zhan Lum,Yi Zhang
Advanced Materials
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200061
下載：Magnetic Soft Millirobots 3D Printed by Circulating Vat Photopolymerization to Manipulate Droplets Containing Hazardous Agents for In Vitro Diagnostics
