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(shí)驗室吳東教授、褚家如教授課題組，基于數(shù)字微鏡陣列（DMD）系統(tǒng)，利用激光光場調(diào)制技術(shù)，加工出一種新穎的高性能自驅(qū)動水凝膠微馬達(dá)，并探究其在動能傳輸、微型發(fā)電機(jī)等方面的應(yīng)用前景，為微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)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(fā)表在《Nature Communications》上。

自驅(qū)動現(xiàn)象在自然界中無處不在，范圍從納米尺度（驅(qū)動蛋白）到厘米尺度（節(jié)肢動物）。例如，當(dāng)一種名叫突眼隱翅蟲的甲蟲被風(fēng)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(qū)動現(xiàn)象是由表面張力梯度引起的，被稱為馬蘭戈尼效應(yīng)。受此啟發(fā)，研究人員基于DMD的激光光場調(diào)制技術(shù)，利用水凝膠（PNIPAm）和表面活性劑（HFIP），設(shè)計并加工出具有非對稱孔隙微結(jié)構(gòu)和三次樣條曲線外形的自驅(qū)動微馬達(dá)（圖 1c和1d）。該自驅(qū)動微馬達(dá)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(diào)節(jié)周圍表面張力分布，從而驅(qū)動自身高速轉(zhuǎn)動（圖1b和1e）。得益于非對稱孔隙微結(jié)構(gòu)控制表面活性劑的釋放速率從而增強(qiáng)表面張力梯度，以及三次樣條曲線外形設(shè)計用于減阻，該研究中的自驅(qū)動微馬達(dá)相比于現(xiàn)有報道中類似體系的工作在性能上得到極大的提升。以轉(zhuǎn)動輸出和燃料效率這兩個歸一化參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，該自驅(qū)動微馬達(dá)在轉(zhuǎn)動輸出上提高了15倍，在燃料效率上提高了34％。

圖1 微馬達(dá)的自驅(qū)動原理。（a-b）受到突眼隱翅蟲啟發(fā)的自驅(qū)動水凝膠微馬達(dá)；（c-d）微馬達(dá)的微結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計；（e）微馬達(dá)的自驅(qū)動原理。

之后，研究人員進(jìn)一步探索了自驅(qū)動微馬達(dá)的應(yīng)用前景。如圖2a所示，自驅(qū)動微馬達(dá)可以通過齒輪嚙合，向外輸出不同的轉(zhuǎn)速和扭矩，從而實(shí)現(xiàn)動能傳輸?shù)男Ч＿M(jìn)一步地，研究人員將自驅(qū)動微馬達(dá)應(yīng)用于微型發(fā)電機(jī)中（圖2b-c），通過自驅(qū)動微馬達(dá)帶動磁鐵在線圈中運(yùn)動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，在通過二極管整流和電容儲能升壓之后，產(chǎn)生的電能可以點(diǎn)亮LED。

圖2 微馬達(dá)用于動能傳輸和發(fā)電。（a）自驅(qū)動微馬達(dá)用于減速器和增速器；（b-c）自驅(qū)動微馬達(dá)用于微型發(fā)電機(jī)。

為了更好的控制自驅(qū)動微馬達(dá)的運(yùn)動行為，研究人員在微馬達(dá)中摻雜納米鐵粉。通過不同的磁場，實(shí)現(xiàn)了對微馬達(dá)自驅(qū)動行為的精準(zhǔn)控制。例如，通過條形磁鐵可以實(shí)現(xiàn)微馬達(dá)的啟停控制（圖3a）；通過圓柱形磁鐵可以實(shí)現(xiàn)微馬達(dá)的自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)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(dá)，實(shí)現(xiàn)多個微馬達(dá)沿著同一/不同半徑的軌道進(jìn)行公轉(zhuǎn)（圖3c-d）。

圖3 自驅(qū)動磁性微馬達(dá)的運(yùn)動控制及用于水凈化。（a）條形磁鐵可以實(shí)現(xiàn)微馬達(dá)的啟?？刂?；（b）圓柱形磁鐵可以實(shí)現(xiàn)微馬達(dá)的自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)切換控制；（c-d）多個微馬達(dá)的群體控制。

微納米工程實(shí)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(xué)學(xué)院吳恒安教授團(tuán)隊和李二強(qiáng)教授團(tuán)隊。該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)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