近年來，軟體微納機(jī)器人由于具有高靈活性、生物兼容性和機(jī)械彈性，在單細(xì)胞操控、靶向藥物輸送和微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，基于智能材料的三維微納結(jié)構(gòu)成型是制備軟體微納機(jī)器人的一種常用方法。然而，現(xiàn)有的軟體材料三維加工技術(shù)通常僅適用于單材料體系。單一軟材料存在各向同性響應(yīng)、自支撐機(jī)械強(qiáng)度低、耐久性和穩(wěn)定性差等問題，這成為其未來應(yīng)用的主要障礙。
自然生物的肌肉骨骼系統(tǒng)為開發(fā)軟硬結(jié)合的微納機(jī)器人提供了靈感。然而，人工肌肉骨骼系統(tǒng)的制造通常需要將兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料以亞微米尺度的分辨率編程組裝成復(fù)雜的三維微納結(jié)構(gòu)，這在當(dāng)前仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。針對這個難題，清華大學(xué)孫洪波教授和吉林大學(xué)張永來教授團(tuán)隊合作報道了飛秒激光程序化加工人工肌肉骨骼系統(tǒng)，其中以相對剛性的光敏聚合物SU-8為骨架結(jié)構(gòu)，以柔軟的pH響應(yīng)牛血清白蛋白(BSA)為智能肌肉。這一思想具體是通過在微流控芯片的輔助下利用飛秒激光原位加工這兩種光敏材料來實現(xiàn)的，如圖1所示展示了一種pH響應(yīng)型蜘蛛微納機(jī)器人制備流程和實驗結(jié)果。
圖1. a,飛秒激光可編程制造肌肉骨骼系統(tǒng)示意圖。b、c,微蜘蛛在BSA肌肉集成前后的掃描電鏡圖像。插圖為它們對應(yīng)的光學(xué)顯微鏡圖像，后者中的藍(lán)色部分表示腿部關(guān)節(jié)處的BSA肌肉。d-f，BSA肌肉和SU-8軀體界面處緊密結(jié)合的局部放大掃描電鏡圖像。
基于肌肉骨骼系統(tǒng)的典型模型，該團(tuán)隊采用飛秒激光原位加工的策略制作了由BSA肌肉和SU-8骨架組成的肌肉骨骼器件，并對其動態(tài)驅(qū)動性能進(jìn)行了測試。圖2a顯示了手臂肌肉模型。在關(guān)節(jié)處BSA肌肉聚合后，可以觀察到SU-8臂明顯伸直，這是由于BSA的收縮導(dǎo)致。BSA肌肉緊密附著在SU-8骨架上，表明肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的完整性。此外，手臂-肌肉系統(tǒng)在長期儲存后也表現(xiàn)出較好的耐用性。儲存45天后，該結(jié)構(gòu)幾乎保持了不變的形貌。圖2b和2c顯示了手臂-肌肉系統(tǒng)的驅(qū)動性能。當(dāng)周圍環(huán)境的pH值從5切換到13時，可以觀察到動態(tài)折疊和拉直性能。
45天后，手臂肌肉結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與初始態(tài)一致的驅(qū)動性能，顯示出良好的穩(wěn)定性。圖2d展示了另一個模型，蟹爪肌肉系統(tǒng)。它的一對鉗子由SU-8制成，牛血清白蛋白肌肉在一個鉗子的連接處與骨架集成在一起。BSA肌肉在pH刺激下的收縮和膨脹可以導(dǎo)致SU-8蟹爪的打開和關(guān)閉(圖2e)。實際上，肌肉骨骼系統(tǒng)并不局限于上述兩種形式。通過肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，該策略可以直接制作任何所需的3D智能微納機(jī)器人。
圖2. a,手臂肌肉系統(tǒng)；（i）模型；（ii）SU-8骨骼的掃描電鏡圖像；（iii）BSA集成后手臂肌肉的掃描電鏡圖像；（iv）BSA與SU-8界面的掃描電鏡圖像；（v）儲存45天后手臂肌肉的掃描電鏡圖像；（vi）儲存45天后手臂肌肉兩種材料界面的掃描電鏡圖像。b、 45天后臂肌pH值的光鏡圖像。c、 手臂肌肉結(jié)構(gòu)的動態(tài)pH響應(yīng)特性。d,蟹爪肌肉系統(tǒng)；（i）SU-8骨骼的光學(xué)顯微鏡圖像和（ii）SEM圖像；（iii）BSA集成后的光學(xué)顯微鏡圖像和（iv）集成BSA后的SEM圖像。e,蟹爪pH驅(qū)動的光學(xué)顯微鏡圖像。f,蟹爪4個周期的動態(tài)pH響應(yīng)特性。
為了充分利用開發(fā)肌肉骨骼系統(tǒng)模型，該團(tuán)隊設(shè)計并加工了由SU-8骨骼和BSA肌肉組成的pH驅(qū)動的微夾持器(圖3a)。圖3b和圖3c分別展示了BSA集成前后微夾持器的尺寸和結(jié)構(gòu)形態(tài)。在BSA肌肉集成后，由于BSA肌肉的收縮，夾持器打開。利用飛秒激光加工的可編程加工能力，通過改變激光掃描點線面間距，可以進(jìn)一步在納米尺度控制聚合物結(jié)構(gòu)的內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這樣，BSA肌肉的彈性和SU-8骨骼的剛度都可以精確調(diào)控。
圖3. a,微夾持器的三維模型。b-c,分別在牛血清白蛋白肌肉集成前后微夾持器掃描電鏡圖像。d,當(dāng)周圍溶液的pH值在5和13之間切換時，BSA方塊的溶脹率隨激光掃描步長（50、100、150和200 nm）的依賴關(guān)系。插圖是相應(yīng)的BSA方塊的光學(xué)顯微鏡圖像。e，制作牛血清白蛋白肌肉時，微夾持器的一個臂的彎折角度與激光掃描步長的關(guān)系。f,目標(biāo)物的掃描電鏡圖像(一個SU-8方塊附著在一個底座上)。g,使用pH響應(yīng)微夾持器捕捉和釋放SU-8目標(biāo)物的流程示意。h,操縱過程的截取圖。
實驗中通過改變pH來控制夾持器的彎折和展開，可以很好地操縱夾持器來拾取和釋放不同大小的目標(biāo)物體。為了展示這種智能微夾持器的應(yīng)用，該團(tuán)隊將夾持器集成在玻璃材質(zhì)的懸臂上，然后將其固定在精密運動控制系統(tǒng)中，以一個用微米線固定在襯底上的立方體(邊長10?mm)作為目標(biāo)對象(圖3f)。圖3g顯示了操作過程的示意圖，包括定位、捕獲、轉(zhuǎn)運和釋放；圖3h顯示了該過程在不同時刻的截圖。當(dāng)夾持器靠近目標(biāo)后，觸發(fā)BSA肌肉的膨脹，目標(biāo)被微夾持器緊緊抓住。在運動系統(tǒng)的精確控制下，物體可以被運送到任意想要的位置。BSA肌肉收縮時夾持器打開，釋放物體。這種智能微夾持器能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)捕獲和釋放，在微小物體靶向操控等前沿應(yīng)用中很有前景。隨著微流體的快速發(fā)展，這種基于肌肉骨骼系統(tǒng)的機(jī)器人可能會演變?yōu)槠蠙C(jī)器人系統(tǒng)，并在體外細(xì)胞操作、物體搬運、精密組裝、設(shè)備集成和微創(chuàng)手術(shù)方面有著巨大的應(yīng)用前景。該工作提出的策略是通用的，并不局限于SU-8和BSA材料組分。可以相信，隨著智能材料的快速發(fā)展，該策略可能會在由多材料組成的3D微納機(jī)器人的開發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。
以上相關(guān)成果發(fā)表在Nature Communications上(NatCommun?11, 4536 (2020))。論文的第一作者為清華大學(xué)精儀系博士后馬卓晨，通訊作者為清華大學(xué)孫洪波教授和吉林大學(xué)張永來教授。
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