Nature子刊:机械互锁的3D多材料微机器人,克服材料加工不相容

金属结构材料技术 3D光刻技术
材料科学与工程    2020-12-17    133

  编辑推荐:本研究中提出的模块化制造策略,为克服金属和水凝胶等不同类别材料之间的加工不相容问题,提供了可能性。

  金属和聚合物在物理化学性质上是不同的材料,但在功能上是互补的。因此,金属-有机结构可以在小型机器人中引入大量的新应用。然而,目前的制造技术无法加工3D金属和聚合物元件。近日,来自瑞士苏黎世联邦理工学院的研究表明,混合微结构可以通过结合3D光刻,模具铸造和电沉积实现联锁。相关论文以题为“Mechanically interlocked3 D multi-material micro machines”发表在Nature Communications上。

  论文链接:https://www。nature。com/articles/s41467-020-19725-6

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  在许多机械结构中使用联锁,来创建不同部件之间的相互物理依赖。这在宏观机械中很常见,也被化学家广泛应用于开发分子机械。机械联锁分子如连环烷、轮烷和伪轮烷已被用于复杂的机械纳米系统,如分子穿梭、开关和相关器件。虽然众多工作表明,机械联锁分子系统通常被限制在纳米尺度,从而阻碍了他们在更大的系统,如MEMS和机器人技术的开发。尽管它们有潜在的应用,但制造机械互连纳米器件的方法依赖于复杂的有机合成协议,限制了它们与金属等其他材料的集成。新颖的制造方法可以克服这些限制,从而提供了大量新的金属-有机结构。

  在微、纳米机器人领域,已经有各种各样的例子,机器能够在不同的流体环境中游泳,运输和释放货物,触发化学反应。许多复杂的结构已经证明,从螺旋、脚手架到阿基米德螺杆泵等。

  制造技术,如软光刻微转移模塑允许制造闭环和简单的联锁单个材料结构。然而,小型游泳者的实现,建立在由不同材料组合而成的互连组件上,比如软模块和硬模块,仍有待开发。联锁不同的材料,如金属,聚合物,和其他家族的材料,将在多个领域和技术上开辟许多途径,在这些领域和技术中需要具有不同功能的多材料组件。联锁还可以通过集成智能材料促进组件之间的程序断开,这些材料可以在一定的刺激下降解,而不会使整个机器瘫痪。

  3D模板辅助沉积是一种可靠的制备全金属和多功能高分子微结构的方法。在医用微机器人领域,使用全铁结构是最有前途的生物相容性的方法,可用于需要增强磁性性能的应用。然而,它们在高级功能方面是有限的,例如货物运送、形状转换和可控制的退化,使用软结构更容易实现这些。

  在此,研究者表明:在模板辅助方法中的减材制造步骤,能够保证金属与高分子3D成型,在微观尺度上的加工相容性。理论上,许多联锁的策略和设计可以被开发。然而,研究者观察到,独立形状的组合是有限制的。

  研究者展示了一种制造策略,通过3D光刻和电沉积的方式,结合软材料和硬材料的联锁来生产微型机器人设备。在正光刻胶层内部可以产生多个独立的3D孔。研究者的方法可以用于实现,具有前所未有的分辨率和拓扑复杂性的复杂多材料微器件。研究表明,金属成分可以与不同种类的聚合物组成的结构结合。金属和聚合物的特性可以并行开发,从而产生具有高磁响应性、提高载药能力、随需应变的形状变化和弹性行为的结构。

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  图1 制造联锁结构。

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  图2 机械联锁的金属-有机微结构。

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  图3  机械联锁微机械与浮力控制。

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  图4 联锁微型机械的多运动策略。

  综上所述,本研究中提出的模块化制造策略,为克服金属和水凝胶等不同类别材料之间的加工不相容问题,提供了可能性。研究者证明了通过机械联锁多材料3D,为微机器人中嵌入先进的功能,而不需要降低诸如增强的磁响应性、生物相容性和载药能力等因素。这种新的制造范式,可以使制造出从未用其他技术演示过的系统成为可能。(文 :水生)

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