一種能夠提供實時傳感和快速驅(qū)動的微型微流體操控系統(tǒng)

微流體操控系統(tǒng)可以感知液體并控制其流動。然而，傳統(tǒng)的傳感器和電機很難適應(yīng)空間有限的微流體裝置；此外，由于流體的快速流動，導致快速傳感和制動存在一定困難，因此，亟需開發(fā)一種能夠提供實時傳感和快速驅(qū)動的微型微流體操控系統(tǒng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了實現(xiàn)上述目標，南開大學劉遵峰教授團隊利用螺旋非線性應(yīng)力的中空纖維，開發(fā)了快速扭轉(zhuǎn)和拉伸驅(qū)動器，可以感知流體溫度并將流體分類到所需的容器中。在對流體流量的響應(yīng)方面，所設(shè)計的驅(qū)動器具有高驅(qū)動行程（87.5%）、快速響應(yīng)速度（0.88s）和高溫度靈敏度（0.5K溫度變化時旋轉(zhuǎn)20°），其工作能力和功率密度分別是空氣驅(qū)動固體纖維的1.5倍和90倍。相關(guān)工作以“Microfluidic manipulation by spiral hollow-fibre actuators”為題發(fā)表在Nature Communications上。

具體而言，中空纖維驅(qū)動器采用內(nèi)部（x）和外部（y）直徑不同的低密度聚乙烯中空纖維（PEHFs）制備而得，并以PEHFx-y形式命名。由于制備過程中形成的緊結(jié)分子形態(tài)，PEHF具有各向異性的熱膨脹行為。此外，PEHF具有較高的強度和柔韌性，斷裂強度為39.4 MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?88.4%。

圖1 用于微流體操控的中空纖維驅(qū)動器

此外，研究發(fā)現(xiàn)，流動的熱水可引起中空纖維驅(qū)動器的扭轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，表明通過感應(yīng)水溫對微流體進行扭轉(zhuǎn)操控的可能性。具體地，研究人員制備得到PEHF580-990驅(qū)動器的189°/cm旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)歸一化的旋轉(zhuǎn)角度為18.9°，對應(yīng)插入捻度變化為13.1%，這也可與以往研究中報道的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器相媲美。

圖2 扭轉(zhuǎn)PEHF580-990驅(qū)動器的驅(qū)動性能

而拉伸中空纖維驅(qū)動器根據(jù)卷曲和扭轉(zhuǎn)方向表現(xiàn)出不同的手性——相同的卷曲和扭轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生的是同手性線圈，線圈體積膨脹時會收縮；相反的卷曲和扭轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生的是異手性線圈，線圈體積膨脹時會膨脹。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，當輸送流體的溫度發(fā)生變化時，線圈中空纖維驅(qū)動器的快速響應(yīng)和大驅(qū)動行程允許精確的傳感和微流體操作，可以實時顯示液體的溫度，并為不同溫度的液體分類到所需容器提供可能性。

圖3 流體驅(qū)動的同手性中空纖維驅(qū)動器的驅(qū)動性能

總體而言，扭轉(zhuǎn)和拉伸中空纖維驅(qū)動器可以用于微流體操控，并根據(jù)液體溫度對輸送液體進行精確的旋轉(zhuǎn)和平移。其中，扭轉(zhuǎn)型中空纖維驅(qū)動器可以在液體在不同溫度下流動時進行不同角度的旋轉(zhuǎn)。同手性拉伸中空纖維驅(qū)動器在輸送不同溫度的液體時可以收縮不同長度，可收縮驅(qū)動器可以通過收縮不同長度輸送和分類液體。

圖4 PEHF580-990驅(qū)動器的微流體傳感和操作

此外，研究人員還演示了中空纖維驅(qū)動器作為夾子捕捉對象，實現(xiàn)提升2g負載和釋放負載，這為中空纖維驅(qū)動器在軟機器人和工業(yè)制造中作為響應(yīng)速度快、行程大的人造肌肉的應(yīng)用提供了可能性。

總之，該項研究為高通量生物傳感和藥物合成提供了一個新的平臺。流體驅(qū)動驅(qū)動器的快速響應(yīng)和高功率密度保證了其在外骨骼和人工肌肉方面的應(yīng)用，例如：開發(fā)強大的軟機器人和自動化生產(chǎn)線。此外，獨特的設(shè)計為生物標記物傳感和藥物控制釋放、3D打印機、變形飛機、智能建筑和其他光學或磁性應(yīng)用等設(shè)備的開發(fā)提供了新的機遇。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29088-9

審核編輯 ：李倩