理化所在光驱动游泳驱动器方面取得进展

“无情水任方圆器，不系舟随去住风。”千余年前，诗人白居易立于洛水之畔，对着水面上的往来风帆缓缓吟出此诗，感慨自己的人生际遇。但他一定想不到，千余年后的人们不仅可以用风以外的其它动力驱动船只，甚至还可以用一束光来驱动小型的游泳驱动器在水面上自由游动。

尺寸在微米到厘米级别的微尺度游泳驱动器，在外界信号（如电场、磁场、化学物质、光等）的刺激下，在液体表面或体相中执行各种游泳运动模式，在能量转换、靶向给药、生物医学工程和环境修复等领域具有广阔的应用前景。光作为一种普遍存在的能源，不仅便于实现空间和时间的控制，还具有远程操控、绿色环保等优点。目前实现的光驱动游动，主要包括三种模式：形变驱动、蒸汽/气泡驱动、基于化学/热Marangoni效应（表面张力梯度驱使液体流动）的表面张力驱动。最初的游泳驱动器相当于只有一个马达，随着光照信号的开关，驱动器做出走和停的相应行为。但如同道路上行驶的汽车一样，要想自由运动，我们还需要一个控制方向的方向盘，即在平面内多加一个自由度─转动。对于游泳驱动器，转动意味着要对驱动器两侧施加不对称的驱动力。传统方法都是把光束聚焦在驱动器的某一个非中心部位，产生不平衡的推动力来实现转动。但对于微尺度驱动器，要在运动过程中把光亦步亦趋地聚焦于其上的某一个特定点是非常难以维持的。因此，设计一种大光斑全覆盖照射，即在全区域光操控下实现包含平移和转动的多自由度运动可编程游泳驱动器是一个挑战。

近日，中科院理化所仿生智能界面科学中心研究人员与中科院力学所合作，通过将不同的波长参数引入光信号，基于波长控制的光热Marangoni效应，在全区域光照下实现了复杂光信号驱动的可编程多自由度游泳驱动器。论文以Programmable Light-Driven Swimming Actuators via Wavelength Signal Switching为题发表于Science Advances期刊。论文的第一作者为2016级博士生侯锴，通讯作者为龙玥项目副研究员和宋恺研究员。

此项工作中制备了不同染料掺杂的聚二甲基硅氧烷作为波长选择性光热单元，在特定波长光的照射下获得非对称的光热模式及表面张力梯度，通过Marangoni效应产生非对称的驱动力实现多自由度运动。该工作实现了双波长驱动的线性进-退运动 (1D) 与左转/右转运动 (2D)，转速可调的顺时针/逆时针方向齿轮旋转运动。此外，结合运用三种不同的光信号（532 nm的绿光、650 nm的红光和连续波长的白光）可使驱动器灵活地穿过复杂迷宫。这些功能性运动模式显示了其在游动任务执行中的应用潜力。

图1 基于marangoni效应的波长选择性游动驱动示意图

此外，虽然Marangoni效应被广泛运用于各种驱动器，但纳牛级别的驱动力难以用仪器直接测量，且由于表面体系的复杂性，基于表面张力对驱动力的理论计算量值往往存在较大偏差。通过与中科院力学所关东石课题组合作，此项工作建立了一种直接测量水面游动器件驱动力的实验系统。该实验系统首先利用一根拉伸毛细管（针尖直径3 μm）直接测量出驱动器游动时造成的针尖位移，后通过增重法 (added-mass method) 使用一系列水滴校准了针尖位移所对应的作用力大小。测试结果与通过驱动器加速度计算的力学数值吻合较好，从实验测量角度为各类游动驱动器的力学表征与理论分析提供依据。

图2. 游泳驱动器的驱动力直接实验测量系统

在制造方面，该系统所采用的材料通用常见、成本低廉，制作方法简便省时，这种可获得性为大规模制造、模块化装配/替换以及定制化设计提供了可能。此外，此项工作也为基于光的多参数（强度、波长、偏振）控制驱动系统提供了一个有益的视角。

来源：理化所

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh3051