據(jù)悉，中國科大實現(xiàn)飛秒激光制造磁響應(yīng)“雙面神折紙”機器人，該工作于9月6日以“Magnetic Janus origami robot for cross-scale droplet omni-manipulation”為題發(fā)表于Nature Communications。

對跨尺度液滴的多樣化操縱，在精細(xì)化學(xué)和生物醫(yī)療檢測等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用前景。從實用角度出發(fā)，有效的液滴操縱技術(shù)需要多功能集成及多尺度適用性。近年來，磁激勵憑借其遠(yuǎn)程可控、生物安全性好、對環(huán)境透射率和基底電荷不敏感等優(yōu)勢已被廣泛應(yīng)用于液滴操縱領(lǐng)域。然而，如何進一步擴展磁響應(yīng)液滴操縱的功能，并將多樣化的液滴操縱功能從微升尺度擴展到納升尺度仍極具挑戰(zhàn)。鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實驗室胡衍雷教授團隊及其合作者利用飛秒激光微納制造方法，制備了一種可用于跨尺度液滴操縱的磁響應(yīng)雙面神折紙機器人，實現(xiàn)了多樣化液滴操縱功能的有效集成，包括液滴的三維運輸、合并、分裂、子液滴分發(fā)與按需釋放、攪拌以及遠(yuǎn)程加熱等。同時，這種操縱策略的高穩(wěn)定性賦予了其跨尺度液滴操縱能力，可以實現(xiàn)對~3.2 nL 到 ~51.14 μL體積范圍內(nèi)液滴的操縱。

圖1.磁響應(yīng)雙面神折紙機器人及其多功能液滴操縱應(yīng)用

磁響應(yīng)雙面神折紙機器人的上下表面分別具有不同的潤濕特性。如圖1所示，機器人上表面為超疏水低液滴黏附狀態(tài)，而下表面則為疏水高液滴黏附狀態(tài)。同時，機器人的上表面還設(shè)計了兩條折痕，以使機器人與液滴相接觸時，可以在毛細(xì)力的作用下自發(fā)包裹液滴。機器人整體輪廓、折痕和表面微納功能結(jié)構(gòu)的加工和改性均由秒激光掃描而成。機器人在磁場驅(qū)動下通過翻滾主動靠近并包裹水滴，可以實現(xiàn)對水滴的可控運輸。除此之外，磁響應(yīng)雙面神折紙機器人還可以通過定向翻滾與折疊從大液滴中分發(fā)出子液滴。通過控制磁場強度可以將分發(fā)的子液滴從機器人中擠出。機器人利用其特殊設(shè)計的超疏水外表面輕推水滴，可以實現(xiàn)子液滴的可控釋放分離。機器人也可以在磁場作用下旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)液體的可控混合，并結(jié)合其光熱特性實現(xiàn)遠(yuǎn)程加熱。

圖2.基于磁響應(yīng)雙面神折紙機器人的液滴攪拌、光熱攪拌以及多功能液滴操縱集成

如前所述，磁響應(yīng)雙面神折紙機器人可以實現(xiàn)類似于商業(yè)化磁力攪拌機的攪拌及加熱功能。圖2的熒光分布圖清晰展示了攪拌過程中液滴的混合程度。除了能夠?qū)崿F(xiàn)水的快速混合之外，通過機器人的加熱攪拌功能還可以有效實現(xiàn)高粘度液體（甘油）的快速混合。加熱溫度可以達到80℃以上。

在實現(xiàn)多樣化液滴操縱的基礎(chǔ)上，磁響應(yīng)雙面神折紙機器人可以將多種液滴操縱功能有效集成，實現(xiàn)連續(xù)的液滴操縱目標(biāo)。例如，機器人可以通過翻滾運動主動靠近水滴并分發(fā)出一定體積的子液滴，通過定向運輸將分發(fā)的子液滴與另一液滴合并，最終通過攪拌實現(xiàn)不同成分液滴的快速混合。這種多功能液滴操縱集成還能夠有效擴展到納升尺度液滴上。

最后，作為概念驗證，通過對磁響應(yīng)雙面神折紙機器人進行表面修飾，并結(jié)合其多樣化的液滴操縱功能，成功實現(xiàn)了核酸的提取和純化（圖3）。總之，磁響應(yīng)雙面神折紙機器人可以實現(xiàn)跨尺度液滴操縱，對精細(xì)化工、醫(yī)療診斷和微流體技術(shù)等廣泛需要精確獲取和添加試劑、微液滴圖案化和快速微液滴反應(yīng)的領(lǐng)域具有重要意義。

圖3.基于磁響應(yīng)雙面神折紙機器人的核酸提取與純化應(yīng)用

工程科學(xué)學(xué)院蔣紹軍博士為論文第一作者。通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡衍雷教授、吳東教授和香港理工大學(xué)王立秋教授。論文的合作者還包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)褚家如教授、李家文副教授、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機械研究所朱靈研究員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院沈佐君教授等。該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、科技部國家重點研發(fā)計劃等基金等項目的支持。