新策略實現(xiàn)硅基微機(jī)器人的合理化組裝構(gòu)建
近日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院副教授王吉壯、教授李丹團(tuán)隊與合作者，在前期光驅(qū)動硅納米線馬達(dá)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了基于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)的光磁復(fù)合硅基微馬達(dá)，通過能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化將磁性金屬Ni引入MIS結(jié)構(gòu)的一體化構(gòu)造，在保證優(yōu)異光電化學(xué)性能的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了方向的操控性。此外，磁性元素的引入也為合理化磁組裝提供了條件。相關(guān)成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）。
“該工作所提出的馬達(dá)作為基礎(chǔ)組件合理化組裝以及模板輔助的組裝方法對功能微機(jī)器人構(gòu)建及應(yīng)用發(fā)展具有一定的借鑒意義。”論文通訊作者王吉壯表示，以光驅(qū)動硅基馬達(dá)作為基礎(chǔ)組件，其團(tuán)隊創(chuàng)新性的開發(fā)了微洞陣列模板輔助的磁組裝策略實現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)的硅基微機(jī)器人的合理化組裝構(gòu)建，并展示出增強(qiáng)的細(xì)胞操控性能。
微納機(jī)器人作為一種微觀尺度上具有特定功能的新型微納米器件，其研究及應(yīng)用取得了顯著進(jìn)展。然而，隨著應(yīng)用研究的深入，對其操控性和功能性提出了更高的要求，這也激發(fā)了領(lǐng)域研究者不斷嘗試新的方法，以滿足應(yīng)用需求構(gòu)建功能微納機(jī)器人。其中，通過整合不同的功能組件并開發(fā)合理的組裝策略被證明是一種有效的方法來構(gòu)建微納機(jī)器人。
該研究提出了MIS結(jié)構(gòu)的硅納米線光磁復(fù)合微馬達(dá)，通過MIS結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，合理化選擇磁性金屬Ni作為金屬端，同時也可作為磁控組分，為硅納米線光磁復(fù)合微馬達(dá)的精確磁操控和組裝提供了可能。在可見光的照射下，硅納米線光磁復(fù)合微馬達(dá)利用光激發(fā)的光電化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)的自電泳進(jìn)行有效推進(jìn)和實時的啟停控制。
研究人員利用所開發(fā)的MIS結(jié)復(fù)合馬達(dá)的磁性特征，創(chuàng)新性的提出了一種微洞陣列模板輔助組裝的方法。他們首先將一個馬達(dá)引導(dǎo)進(jìn)入洞中固定，然后操控另一個馬達(dá)與其組裝，重復(fù)該過程即可實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)微機(jī)器人的構(gòu)建。除了組裝，通過微洞還可實現(xiàn)解組裝的操作。孔輔助組裝為微納機(jī)器人的構(gòu)建提供了一種簡單可行的策略。
與單個微納馬達(dá)相比，組裝的微機(jī)器人表現(xiàn)出增強(qiáng)的操控能力。“V”字型微機(jī)器人具有運(yùn)輸多個細(xì)胞的能力。此外，還可通過磁控的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)細(xì)胞的挖掘操作。空間的三叉結(jié)構(gòu)馬達(dá)表現(xiàn)出更穩(wěn)定的細(xì)胞抓取能力，利用三叉微機(jī)器人可以實現(xiàn)細(xì)胞的精確操控，構(gòu)建獨(dú)特的JNU形狀。
論文通訊作者王吉壯表示，在可見光激發(fā)下，通過光電化學(xué)反應(yīng)觸發(fā)的自電泳實現(xiàn)自驅(qū)動。利用該微馬達(dá)的磁性特征，通過簡單的洞陣列模板輔助實現(xiàn)了微馬達(dá)組裝以構(gòu)建多種結(jié)構(gòu)的微機(jī)器人。這些組裝的微機(jī)器人展示了增強(qiáng)的細(xì)胞操控能力，包括多細(xì)胞運(yùn)輸、深洞挖掘和精準(zhǔn)定位。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202405895
基于MIS結(jié)硅納米線光磁復(fù)合馬達(dá)的構(gòu)建、模板輔助合理化組裝微機(jī)器人及細(xì)胞操控示意圖。研究團(tuán)隊供圖
基于微洞陣列模板輔助組裝的方法實現(xiàn)微機(jī)器人的合理化組裝與拆解。研究團(tuán)隊供圖
微型機(jī)器人對細(xì)胞的操控。研究團(tuán)隊供圖
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