近日，中国科学技术大学研究团队及其合作者，利用飞秒激光微纳制造方法，制备了一种可用于跨尺度液滴操纵的磁响应双面神折纸机器人，实现了多样化液滴操纵功能的有效集成，包括液滴的三维运输、合并、分裂、子液滴分发与按需释放、搅拌以及远程加热等。

这对精细化工、医疗诊断和微流体技术等广泛需要精确获取和添加试剂、微液滴图案化和快速微液滴反应的领域具有重要意义。

磁响应双面神折纸机器人问世

据了解，该磁响应双面神折纸机器人实现了多样化液滴操纵功能的有效集成，包括液滴的三维运输、合并、分裂、子液滴分发与按需释放、搅拌以及远程加热等。同时，这种操纵策略的高稳定性赋予了其跨尺度液滴操纵能力。相关研究成果日前发表于《自然•通讯》。

对跨尺度液滴的多样化操纵，在精细化学和生物医疗检测等领域都有重要的应用前景。从实用角度出发，有效的液滴操纵技术需要多功能集成及多尺度适用性。然而，如何进一步扩展磁响应液滴操纵的功能，并将多样化的液滴操纵功能从微升尺度扩展到纳升尺度仍极具挑战。

科研人员介绍，磁响应双面神折纸机器人的上下表面分别具有不同的润湿特性。机器人上表面为超疏水低液滴黏附状态，而下表面则为疏水高液滴黏附状态。同时，机器人的上表面还设计了两条折痕，以使机器人与液滴相接触时，可以在毛细力的作用下自发包裹液滴。机器人整体轮廓、折痕和表面微纳功能结构的加工和改性均由秒激光扫描而成。机器人在磁场驱动下通过翻滚主动靠近并包裹水滴，可以实现对水滴的可控运输。

除此之外，磁响应双面神折纸机器人还可以通过定向翻滚与折叠从大液滴中分发出子液滴。通过控制磁场强度可以将分发的子液滴从机器人中挤出。机器人利用其特殊设计的超疏水外表面轻推水滴，可以实现子液滴的可控释放分离。机器人也可以在磁场作用下旋转，实现液体的可控混合，并结合其光热特性实现远程加热。

研究表明，磁响应双面神折纸机器人可以实现类似于商业化磁力搅拌机的搅拌及加热功能。除了能够实现水的快速混合之外，通过机器人的加热搅拌功能还可以有效实现高黏度液体（甘油）的快速混合。加热温度可以达到80℃以上。

最后，作为概念验证，研究人员通过对磁响应双面神折纸机器人进行表面修饰，并结合其多样化的液滴操纵功能，成功实现了核酸的提取和纯化。

未来可用于医疗领域

近年来，磁激励凭借其远程可控、生物安全性好、对环境透射率和基底电荷不敏感等优势已被广泛应用于液滴操纵领域。研究团队这种操纵策略的高稳定性赋予了其跨尺度液滴操纵能力，可以实现对~3.2 nL 到 ~51.14 μL体积范围内液滴的操纵。

在实现多样化液滴操纵的基础上，磁响应双面神折纸机器人可以将多种液滴操纵功能有效集成，实现连续的液滴操纵目标。例如，机器人可以通过翻滚运动主动靠近水滴并分发出一定体积的子液滴，通过定向运输将分发的子液滴与另一液滴合并，最终通过搅拌实现不同成分液滴的快速混合。这种多功能液滴操纵集成还能够有效扩展到纳升尺度液滴上。

目前，磁控折纸机器人在医疗健康，可穿戴器件等领域拥有较大的应用潜力。

业内人士表示，一些医疗场景（如内窥镜手术）操作空间十分有限，需要导管前端具有灵活和精准的定位控制，而这些控制通常不易从远端施加或容易对病人造成损伤。磁驱动折纸机械臂具有柔顺结构，对人体损伤小，并能远程操控，无需管线，减少手术创伤，可以很好地弥补现有医疗设备的一些缺点。此外，现在已有一些成熟的磁场控制医疗设备，比如核磁共振（MRI），因此可以方便地将该机械臂技术向实际应用推进。

欣喜的是，人们已经研究了不同折纸机制让机械臂进行收缩、展开、弯曲等运动，然而，大多数现有折纸机械臂运动的自由度有限，比如只能收缩或展开、单向弯曲和双向弯曲。虽然已经有了具有多个自由度的集成运动系统，但这通常依赖多个笨重的制动器或有线驱动，严重限制了机械臂在一些环境中的灵活性与功能发挥。而磁响应双面神折纸机器人的问世有助于解决以上问题。

对于未来，磁响应双面神折纸机器人的进一步研究将推进在医疗方面的应用，比如，逐步进行肠胃模型实验和动物实验，并通过分析实验过程中遇到的困难，以及和医生了解真实的临床需求来优化机械臂的结构和功能设计。

研究团队介绍：

工程科学学院蒋绍军博士为论文第一作者。通讯作者为中国科学技术大学胡衍雷教授、吴东教授和香港理工大学王立秋教授。论文的合作者还包括中国科学技术大学褚家如教授、李家文副教授、中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所朱灵研究员、中国科学技术大学附属第一医院沈佐君教授等。该项研究工作得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金、中国科学院青年创新促进会、科技部国家重点研发计划等基金等项目的支持。

该工作是团队近期关于磁响应液滴操纵相关研究的最新进展之一。如何提升磁响应液滴操纵的灵活性一直是当前研究的重点，为此团队发展了多种磁响应液滴操纵策略（Advanced Materials,2019, 31(15): 1807507；Nano Letters,2020, 20(10): 7519-7529；ACS Applied Materials & Interfaces,2020, 12(37), 42264–42273；Langmuir,2023, 39(27), 9358-9366.），提升了磁响应液滴操纵的速度，扩展了操纵的空间维度，并成功将磁响应操纵策略从单相（液相）扩展到了三相（液相、固相和气相）物质的可控操纵（Advanced Functional Materials,2022, 32(40): 2205831）。

文章来源： 极目新闻，中国科学技术大学主站，高分子科学前沿