中國科大實現一種高性能自驅動水凝膠微馬達

中國科學技術大學工程科學學院微納米工程實驗室吳東教授、褚家如教授課題組，基于數字微鏡陣列（DMD）系統，利用激光光場調制技術，加工出一種新穎的高性能自驅動水凝膠微馬達，并探究其在動能傳輸、微型發電機等方面的應用前景，為微型旋轉機械的設計與制造開拓了新的方向。該研究成果近期以“High-performance Marangoni hydrogel rotors with asymmetric porosity and drag reduction profile”為題發表在《Nature Communications》上。

自驅動現象在自然界中無處不在，范圍從納米尺度（驅動蛋白）到厘米尺度（節肢動物）。例如，當一種名叫突眼隱翅蟲的甲蟲被風吹落到水面上時，它會在其尾部分泌表面活性劑，將自己快速推回岸邊（圖1a）。這種自驅動現象是由表面張力梯度引起的，被稱為馬蘭戈尼效應。受此啟發，研究人員基于DMD的激光光場調制技術，利用水凝膠（PNIPAm）和表面活性劑（HFIP），設計并加工出具有非對稱孔隙微結構和三次樣條曲線外形的自驅動微馬達（圖 1c和1d）。該自驅動微馬達也能如同突眼隱翅蟲一般，在自身周圍緩慢分泌表面活性劑，調節周圍表面張力分布，從而驅動自身高速轉動（圖1b和1e）。得益于非對稱孔隙微結構控制表面活性劑的釋放速率從而增強表面張力梯度，以及三次樣條曲線外形設計用于減阻，該研究中的自驅動微馬達相比于現有報道中類似體系的工作在性能上得到極大的提升。以轉動輸出和燃料效率這兩個歸一化參數為標準，該自驅動微馬達在轉動輸出上提高了15倍，在燃料效率上提高了34％。

圖1 微馬達的自驅動原理。（a-b）受到突眼隱翅蟲啟發的自驅動水凝膠微馬達；（c-d）微馬達的微結構和形狀設計；（e）微馬達的自驅動原理。

之后，研究人員進一步探索了自驅動微馬達的應用前景。如圖2a所示，自驅動微馬達可以通過齒輪嚙合，向外輸出不同的轉速和扭矩，從而實現動能傳輸的效果。進一步地，研究人員將自驅動微馬達應用于微型發電機中（圖2b-c），通過自驅動微馬達帶動磁鐵在線圈中運動，從而產生感應電壓，在通過二極管整流和電容儲能升壓之后，產生的電能可以點亮LED。

圖2 微馬達用于動能傳輸和發電。（a）自驅動微馬達用于減速器和增速器；（b-c）自驅動微馬達用于微型發電機。

為了更好的控制自驅動微馬達的運動行為，研究人員在微馬達中摻雜納米鐵粉。通過不同的磁場，實現了對微馬達自驅動行為的精準控制。例如，通過條形磁鐵可以實現微馬達的啟?？刂疲▓D3a）；通過圓柱形磁鐵可以實現微馬達的自轉/公轉切換控制（圖3b）。此外，這種磁控行為還可以作用于多個微馬達，實現多個微馬達沿著同一/不同半徑的軌道進行公轉（圖3c-d）。

圖3 自驅動磁性微馬達的運動控制及用于水凈化。（a）條形磁鐵可以實現微馬達的啟?？刂?；（b）圓柱形磁鐵可以實現微馬達的自轉/公轉切換控制；（c-d）多個微馬達的群體控制。

微納米工程實驗室的吳昊博士和陳羿宇博士為該工作的共同第一作者，通訊作者為吳東教授，合作者包括工程科學學院吳恒安教授團隊和李二強教授團隊。該項研究工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、安徽省科技重大專項等基金的支持。

論文連接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35186-5

審核編輯 ：李倩