微尺度執(zhí)行器是智能微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、微流控芯片、生物醫(yī)學(xué)微機(jī)器人和片上智能系統(tǒng)中的核心功能單元。隨著應(yīng)用場(chǎng)景從簡(jiǎn)單環(huán)境走向復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、異質(zhì)微環(huán)境，傳統(tǒng)單一驅(qū)動(dòng)模式的微執(zhí)行器已難以同時(shí)滿足“環(huán)境感知”和“遠(yuǎn)程可控運(yùn)動(dòng)”的需求。例如，在微流控或生物醫(yī)學(xué)場(chǎng)景中，器件既需要識(shí)別局部化學(xué)環(huán)境變化，又需要在外部信號(hào)作用下完成旋轉(zhuǎn)、攪拌、輸運(yùn)或開(kāi)關(guān)控制。因此，如何在單個(gè)微尺度結(jié)構(gòu)中集成多材料、多刺激響應(yīng)和可編程運(yùn)動(dòng)能力，成為智能微系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本文提出了一種多材料、雙刺激耦合驅(qū)動(dòng)微齒輪（multi‐material and dual‐stimulus coupled actuation micro‐gear, MDCAMG）。該微齒輪通過(guò)飛秒激光雙光子聚合三維打印制備pH響應(yīng)水凝膠主體，并通過(guò)后處理方式在其表面吸附磁性納米顆粒，形成磁響應(yīng)表層。由此，微齒輪同時(shí)具備兩類(lèi)功能：一是水凝膠主體可根據(jù)pH變化發(fā)生可逆膨脹/收縮，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和形狀調(diào)控；二是磁性表層可在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并調(diào)控轉(zhuǎn)速與方向。
未來(lái)，MDCAMG有望集成于柔性微流控芯片中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)pH門(mén)控的微尺度流體調(diào)控。pH響應(yīng)水凝膠作為化學(xué)門(mén)控單元，可在堿性環(huán)境下膨脹并鎖定微齒輪，使通道關(guān)閉，對(duì)應(yīng)邏輯輸出“0”；在酸性環(huán)境下收縮并解鎖微齒輪，使流體通過(guò)，對(duì)應(yīng)邏輯輸出“1”。該設(shè)計(jì)將環(huán)境感知、化學(xué)門(mén)控、磁控執(zhí)行和二進(jìn)制邏輯輸出集成于同一微系統(tǒng)中，為可編程微流控、智能藥物遞送和自適應(yīng)MEMS器件提供了新的實(shí)現(xiàn)路徑。
相關(guān)內(nèi)容以“Multi‐material and dual‐stimulus coupled actuation micro‐gears for shape–rotation control in intelligent micro‐electro‐mechanical systems”為題發(fā)表于FlexMat期刊。論文第一作者為重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院講師彭思達(dá)，通訊作者為彭思達(dá)及浙江大學(xué)流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室祝毅教授。
MDCAMG的制造流程與雙刺激響應(yīng)機(jī)制
圖1展示了多材料雙刺激耦合微齒輪的整體設(shè)計(jì)思路。首先，利用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)在芯片上打印pH響應(yīng)水凝膠微齒輪主體；隨后通過(guò)磁性納米顆粒吸附，在微齒輪表面構(gòu)建磁響應(yīng)層。該微齒輪存在三種響應(yīng)模式：在pH刺激下，水凝膠主體可發(fā)生膨脹或收縮；在磁場(chǎng)刺激下，磁性表層可帶動(dòng)微齒輪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)pH響應(yīng)與磁響應(yīng)結(jié)合時(shí)，微齒輪能夠在“鎖定”和“解鎖”狀態(tài)之間切換，實(shí)現(xiàn)形變—旋轉(zhuǎn)協(xié)同控制。
圖1：MDCAMG的制造流程與雙刺激響應(yīng)機(jī)制
MDCAMG的材料組成
圖2展示了微齒輪中功能材料的組成和響應(yīng)機(jī)理。水凝膠體系主要由NIPAAm和AAc功能單體、DPEHA交聯(lián)劑、TEA和EMK光引發(fā)體系、PVP增稠劑以及溶劑組成。經(jīng)過(guò)激光照射后，材料發(fā)生交聯(lián)聚合，形成PAAc-PNIPAM水凝膠網(wǎng)絡(luò)。其pH響應(yīng)主要來(lái)源于PAAc中的羧基。在酸性環(huán)境中，羧基質(zhì)子化，聚合物鏈間靜電排斥減弱，水凝膠網(wǎng)絡(luò)收縮；在堿性環(huán)境中，羧基去質(zhì)子化并帶負(fù)電，鏈間靜電排斥增強(qiáng)，水凝膠吸水膨脹。與此同時(shí)，磁性納米顆粒吸附在水凝膠表面，微結(jié)構(gòu)具備一定的酸堿穩(wěn)定性，并獲得磁響應(yīng)能力。
圖2：MDCAMG的材料組成
pH響應(yīng)水凝膠的形變響應(yīng)性能
圖3展示了pH響應(yīng)水凝膠的環(huán)境自適應(yīng)形變能力。五角星微結(jié)構(gòu)在酸性環(huán)境中收縮、堿性環(huán)境中膨脹，且低激光功率打印的結(jié)構(gòu)響應(yīng)更敏感。基于雙光子聚合的4D打印策略可將可逆形變能力編碼進(jìn)微結(jié)構(gòu)中。實(shí)驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)酸堿切換響應(yīng)迅速，并在多次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定響應(yīng)，說(shuō)明其具有良好的快速響應(yīng)性和循環(huán)穩(wěn)定性。
圖3：pH響應(yīng)水凝膠的形變響應(yīng)性能
磁響應(yīng)微齒輪的旋轉(zhuǎn)控制性能
圖4展示了MDCAMG的磁驅(qū)旋轉(zhuǎn)性能。掃描電鏡及鐵元素分布結(jié)果證明磁性納米顆粒成功吸附于微齒輪表面，磁滯曲線進(jìn)一步表明Fe?O?納米顆粒和MDCAMG均具有良好的磁響應(yīng)特性。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)測(cè)試表現(xiàn)出微齒輪優(yōu)異的遠(yuǎn)程可控性、響應(yīng)速度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。
圖4：MDCAMG的磁驅(qū)旋轉(zhuǎn)性能
MDCAMG的形變—旋轉(zhuǎn)協(xié)同控制
圖5展示了MDCAMG的形變—旋轉(zhuǎn)協(xié)同控制機(jī)制。通過(guò)在微齒輪周?chē)O(shè)計(jì)限位結(jié)構(gòu)，堿性環(huán)境下水凝膠膨脹并與限位結(jié)構(gòu)接觸，使微齒輪進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)；酸性環(huán)境下水凝膠收縮并解除限制，使微齒輪可在磁場(chǎng)作用下自由旋轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)將pH化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)一步調(diào)控旋轉(zhuǎn)速度和方向，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、狀態(tài)切換與遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)的一體化。
圖5：MDCAMG的形變—旋轉(zhuǎn)協(xié)同控制
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/flm2.70057
《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2026版》
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