弹簧上船-轻轻感受把握微观世界的方式

数百年来，以弹簧形式集成机械记忆已被证明是机械设备(如时钟)的一项关键使能技术，通过复杂的自主运动实现高级功能。在我们这个时代，硅基微技术中弹簧的集成打开了平面大规模生产机电设备的世界，我们都从中受益，例如通过气囊传感器。然而，对于新一代微创甚至无创生物医学应用而言，必须在更小的尺度(10微米)和更柔和的力(皮牛顿尺度，即提升重量不到百万分之一毫克)以及定制的三维形状下实现可与细胞安全机械交互的移动设备。

开姆尼茨理工大学、中国科学院深圳先进技术研究所和莱布尼茨IFW德累斯顿大学的研究人员在最近发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中证明，利用共焦光刻制造(纳米级精度)一种新型磁活性材料，可以将可控弹簧集成在柔软的三维结构中任意选择的位置，这种材料的形式是注入了可定制密度的磁性纳米颗粒的光刻胶。

这些“微型弹簧”具有非常大且可调的柔顺性，可以通过磁场远程控制(甚至在人体深处)，允许微型机器人和微型操纵装置进行关节运动，远远超过现有技术水平。

此外，微型弹簧的延伸还可用于视觉测量与其他物体(如细胞)相互作用的力，例如推进力或抓力。

例如，这些皮弹簧已被用于测量精子细胞的运动推进力。

该出版物展示了这些功能，展示了几个微型机器人(包括一个微型penguin)，这些微型机器人在多个位置包含picosprings，可以在细胞尺度上完成这些任务:推进自身，抓取和释放细胞，并测量安全完成这些任务所需的微小力。

该研究的第一作者、中国科学院深圳研究组组长于海峰博士表示:“微米级的可编程弹性为生产3D设备和能够执行复杂医疗任务的精细结构‘微型外科医生’提供了一种可行的策略。”

这项工作的合著者和共同监督人、莱布尼茨IFW和BCUBE- TU Dresden的小组负责人Mariana Medina-Sanchez博士补充说:“这些通过单片制造而成的具有可编程弹性和磁性的基于picospring的微机械为低雷诺数环境中的局部力感测和驱动提供了许多可能性。这种多功能性强调了它们在生物医学应用领域的重要性。”

奥利弗·施密特教授是这篇论文的最后一位作者，也是这项工作的负责人，他认为这是向生命就绪的柔软智能模块化微型机器人过渡的又一重要步骤。

“使用磁场的远程控制微型设备形成了一种特别有前途的非侵入性医疗应用技术-现在这种技术扩展到了这些远程微型设备内部的机械机构，”施密特说。

“能够结合设计弹簧还将为开姆尼茨理工大学微电子形态发生和人工生命的发展能力增加一个新的工具，”教授补充说。

该研究的合著者、MAIN研究中心成员、欧洲生活技术中心创始主任约翰·麦卡斯基尔说。

该项目获得了欧洲研究理事会(ERC)在欧盟2020年地平线研究和创新方案下的资助(第835268号和第853609号赠款协议)。

来源: Materials provided by Chemnitz University of Technology.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Haifeng Xu, Song Wu, Yuan Liu, Xiaopu Wang, Artem K. Efremov, Lei Wang, John S. McCaskill, Mariana Medina-Sánchez, Oliver G. Schmidt. 3D nanofabricated soft microrobots with super-compliant picoforce springs as onboard sensors and actuators. Nature Na
注明chnology, 2024; DOI: 10.1038/s41565-023-01567-0