哈爾濱工業大學化工與化學學院韓曉軍課題組和奧胡斯大學生物化學工程Menglin Chen課題組將熔融電紡絲書寫技術（MEW）、微成型和切削技術技術相結合，成功地批量化制備出可人工設計的磁性微機器人。在外部磁場下，實現了可控的滾動和推進運動，并展現出優異的貨物操縱和運輸能力。
微型機器人的研發對微型無人飛行器、未知環境檢查和探索、微創醫療手術及靶向給藥等方面具有重要的意義。目前的微機器人可由超聲波、光、熱、氣泡和磁場驅動。其中磁場驅動的微機器人由于其高度可控，引起了人們更多關注。磁性螺旋、納米線和膠體多功能馬達均被報道。精子模板法、磁控濺射沉積法和自卷曲法也是制備磁性馬達常用方法。而新一代馬達要求特定的設計以實現預期功能，因而可結構設計的馬達制造新策略（例如掠角沉積技術和3D激光打印技術）被提出來。普通用戶無法利用該技術實現微機器人的制造。因此，需要一種簡單且廉價的技術實現微機器人的設計及制備。
熔融靜電紡絲書寫技術（MEW）融合了熔體靜電紡絲和3D打印技術，相比于與傳統的3D打印，MEW可以得到小2個數量級的微米纖維。MEW所制備的產品可作為生物相容性支架，用于細胞培養和組織工程。MEW實現了可編程的靜電紡絲，并以批量生產的方式沉積在特定部位，纖維直徑和纖維形狀均顯示出高度的可控性，可在計算機控制下設計復雜的形狀或幾何形狀。在科研中，切片機不僅可產生超薄切片，用于獲得光學或電子顯微圖像，而且還可用于制造微納米材料，被命名為“切削技術”，可用于制備單獨的納米線或陣列、量子點和聚合物納米圓筒。將MEW技術與切削技術結合，其中MEW技術可以人工設計微纖維，而切削技術可將所設計的微纖維切成薄片，以批量制備微納米結構。
哈爾濱工業大學韓曉軍課題組和奧胡斯大學Menglin Chen課題組提出了使用成本低和方法簡單的MEW技術應用于磁性微機器人制造的方法。MEW可以直接將聚己內酯（PCL）融化打印出不對稱條狀PCL，以此不對稱PCL作為模板，制備不對稱聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道。而后，將通道填充PCL/Fe3O4混合物，固化后，將改磁性坯料脫模，通過切削技術得到蝌蚪狀的磁性微機器人。該微機器人通過無線動態磁場實現了兩個獨立的運動（推進和滾動），通過磁場的頻率、強度和方向可調節該微型機器人的速度和方向，并展現出優異的貨物操縱和運輸能力。
研究者相信，MEW的使用使得橫截面形態可設計的微機器人的構建成為可能。基于坯料的設計及精確微切削過程，該制造過程具有高度可重復性、低成本和批量生產的能力。在成型過程中引入具有不同功能的納米材料，可將微機器人設計為具有不同功能甚至多功能的仿生微機器人。MEW、微成型和切削技術的聯用在制造通用微機器人方面擁有巨大潛力。相關論文在線發表在Advanced Sciecne 上。
圖1.磁性類蝌蚪微機器人的制造過程示意圖。PCL不對稱模板（A），聚二甲基硅氧烷（PDMS）不對稱通道（B）和PCL/Fe3O4不對稱微型機器人（C）的示意性制造工藝。
圖2. 聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道和磁性PCL/Fe3O4不對稱坯料的表征。（A）以不同打印速度制備的PDMS通道的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（B）通道的寬度和深度與打印速度的關系；（C）具有不同形狀非對稱PDMS通道橫截面的SEM圖像；（D）通道2的光學顯微鏡圖像；（E）以通道2為模板制備的磁性PCL/Fe3O4不對稱坯料的SEM圖像。打印速度值標記在每個圖像上，單位為mm min-1。
圖3. 類蝌蚪磁性微機器人的表征和可控制運動。（A）PCL/Fe3O4磁性微機器人SEM圖像，附帶C，O和Fe元素分布；PCL/Fe3O4磁性微機器人的局部放大SEM圖像（B）和EDX光譜分析（C）；在滾動（D，E）和推進（G，H）磁場（4 Hz，1.85 mT）下的微機器人的光學顯微鏡圖像和3D示意圖；微型機器人在滾動（F）和推進（I）磁場（12 Hz，1.85 mT）下運動的延時顯微鏡圖像。PCL/Fe3O4磁性微機器人在滾動模式（J，K）和推進模式（L，M）下，速度與磁場頻率、強度的關系。
圖4. 類蝌蚪磁性微機器人在4 Hz和1.85 mT的磁場下運載微球。（A）推進模式下，通過頭部進行單個貨物操縱；（B）滾動模式下的多貨物運輸。
相關工作以“Melt Electrospinning Writing of Magnetic Microrobots”為題，發表在Advanced Sciecne (DOI: 10.1002/advs.202003177)上。哈爾濱工業大學韓曉軍教授和丹麥奧胡斯大學Menglin Chen教授為論文共同通訊作者。
原文鏈接：
Yingchun Su et al. Melt Electrospinning Writing of Magnetic Microrobots. Advanced Science, 2020.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003177
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