吳東李家文：光熱Marangoni效應和浮力流3D運動光碟機動水凝膠致動器

【科學背景】

光線驅動的執行器

可以將光能轉換為機械功，並實現諸如彎曲，旋轉，平移，下沉和浮動等運動，這使其在機器人，微機械和智慧系統領域得到了廣泛的應用。 與其他驅動方式（包括熱，電，溼度，氣動膨脹和磁力驅動）相比，光碟機動策略具有優勢，因為它不需要複雜的裝置，並且可以以非接觸方式進行遠端控制。

【科研摘要】

Marangoni效應驅動執行器（MDA）具有直接進行光到工作轉換和方便操作的優點，這使其在機器人，微機械和智慧系統等前沿領域得到了廣泛的研究。但是，MDA依賴於表面張力差，並且僅適用於2D液體-空氣介面。此外，由於吸光材料的限制，MDA通常為純黑色。最近，

中國科學技術大學李家文副教授

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吳東教授

團隊在《Advanced Functional Materials》期刊上發表了題為Transparent LightDriven Hydrogel Actuator Based on Photothermal Marangoni Effect and Buoyancy Flow for ThreeDimensional Motion的論文。提出了

一種透明的光碟機動3D可移動執行器（LTMA）和3D操作策略

。LTMA由摻有光熱奈米粒子的溫度響應水凝膠組成，其表面能隨著奈米粒子吸收光能而變化。3D操作策略將Marangoni效應與光熱浮力流相結合，以實現複雜的自推進劑和漂浮/下沉運動。

LTMA可以執行更高階的任務，例如3D避障和3D取樣。得益於水凝膠的多孔結構，LTMA可以自然吸收化學分子，以進行遠端取樣和自動給藥。

光碟機動，透明，三維可移動且可程式設計的執行器在微機械和智慧系統領域具有廣闊的前景。

【圖文解析】

2.1透明光致動器的製造

能夠響應外部刺激（包括溫度，pH和光）的智慧水凝膠由於其獨特的責任感和生物相容性而已廣泛用於生物感測器，藥物輸送和智慧執行器領域。熱刺激響應水凝膠是最廣泛使用的聚合物系統，因為溫度易於控制。在這項工作中使用的材料由熱刺激響應水凝膠（pNIPAM）和光熱奈米顆粒（CuS）組成。pNIPAM是一種廣泛使用的熱刺激響應型水凝膠，其表面能隨溫度變化而變化，可以透過紫外或紅外飛秒光束［16］以及選擇CuS奈米粒子作為原因製備。該光熱材料是它們的製備不需要昂貴的裝置。LTMA在光碟機下的典型移動過程如圖1a，b所示。由DMD和4倍長工作距離物鏡組成的紫外線曝光系統（圖1c）用於將水凝膠曝光為預先設計的形狀，例如熊貓，魚和漢字（圖1d–f）。最後，將水凝膠膜轉移到乙醇中以去除未處理的區域並釋放透明的LTMA。作為透明的證明，魚狀的LTMA被放置在照片上，並且可以清晰地看到LTMA下方的顏色和圖形，證明LTMA具有良好的光學透明特性（圖1g）。此外，可以透過控制CuS奈米顆粒的濃度來調節透明度。隨著CuS/pNIPAM的體積比從1：6增加到6：6（實驗部分，製備LTMA），LTMA變得更加不透明（圖1h），並且吸收更多的波長大於750 nm的光能（圖1i）。pNIPAM內部的聚合物鏈在LCST的上方和下方都有疏水和親水域，這意味著接觸角（CA）隨pNIPAM溫度的變化而變化（圖1j，k）。圖11l顯示了pNIPAM-乙醇的動態CA，從中可以看到，較高溫度下的CA大於較低溫度下的CA。

圖1 LTMA的處理，表徵和移動。

2.2 LTMA的下沉過程

LTMA在乙醇中的漂浮和下沉過程如圖2a所示，高度和時間之間的關係如圖2b所示。LTMA可以漂浮和沉入許多有機溶液中，例如正丙醇，異丙醇和丙酮。浮動-沉沒迴圈可以重複很多次（圖2c）。值得注意的是，浮動不受深度的限制。如圖2d所示，隨著液體深度從10mm變化到50毫米，浮動速度恆定在約38 mm s-1。作為演示，在240 mm深的乙醇中進行了實驗，乙醇的深度是LTMA厚度的24000倍。鐳射照射30秒後，LTMA成功漂浮到液-氣介面（圖2e）。

圖2 LTMA上下移動的過程。

2.3 LTMA在光碟機下漂浮的機理

當溫度差（ΔT）設定為10 K時，在不同時間的溫度分佈和浮動速度分佈分別如圖3a，b所示。然後，浮力流在0。8 s內上升到液體表面的頂部，並且最大漂浮速度（MS）從3 s增加到16 mm s-1（圖3d，e）。LTMA在5。3 s開始上升，並在7。3 s到達液麵頂部（圖3c）。為了進一步驗證它，作者表徵了它們在不同鐳射功率和奈米粒子濃度下的漂浮速度（圖3d，e）。如圖3f所示，實驗漂浮速度與模擬結果處於相同的數量級。

圖3 浮力流作用下LTMA上升的模擬和實驗結果。

2.4 LTMA的2D自推進運動

LTMA的移動方向可以透過調整光照射位置來控制（圖4a）。這樣，就可以實現按需運動，包括直行，向左轉和向右轉（圖4b–g）。如圖4h，i所示，魚狀LTMA首先漂浮到液麵 然後沿著W形路線從起點移動到終點，併成功避開了光碟機下的障礙物。

圖4 推進運動的原理和控制過程。

2.5 LTMA的3D運動和高階應用

作為概念的演示，作者設計了一個障礙物，該障礙物阻礙了液氣介面上的液麵（圖5a）。但是，LTMA能夠沉入障礙物的底部並透過液下路徑穿越障礙物。如圖5b所示，類似魚的LTMA透過下沉到障礙物底部成功越過障礙物，然後到達最終位置。作為概念的演示，作者將LTMA驅至目標區域以吸收目標分子（若丹明6G），然後對其進行操作以完成取樣過程（圖5c）。LTMA在取樣前是透明的，而它吸收了若丹明6G分子。並在取樣後變為橙紅色（圖5d），如圖5e，f所示，紅色通道的峰值已從128移至140，藍色通道的灰度值已從101移至44，並且 綠色通道的峰值已從130移至105。

圖5 LTMA的應用。

【總結】

已經報道了基於奈米粒子摻雜的溫度響應水凝膠和結合Marangoni效應和光熱浮力流的3D操作策略的透明LTMA。LTMA可以基於依賴於表面張力差的Marangoni效應在液體表面上實現可程式設計的自推進運動，並且可以透過產生溫差引起的光熱浮力流並吸收液體分子來在液體中漂浮/下沉。透過有限元模擬和實驗系統地研究了浮力流的動態產生過程。浮動和下沉的過程可以根據需要重複多次。LTMA的可程式設計可控性使其可以執行復雜的任務，包括完成推箱子游戲和推動/搬運物體。由於LTMA可以三維移動，因此可以用於更高階的應用程式，例如3D避障，這對於傳統的MDA來說，在液體表面進行2D移動是困難的。此外，LTMA主要包含可自然吸收化學分子的水凝膠，可用於遠端取樣。透過結合光熱浮力流和Marangoni效應，這項工作將傳統MDA的運動從二維擴充套件到了三維。光碟機動，透明，三維可移動且可程式設計的執行器在微機械和智慧系統領域具有廣闊的前景。

參考文獻：doi。org/10。1002/adfm。202009386

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