中國科大實現(xiàn)一種高性能自驅(qū)動水凝膠微馬達(dá)

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現(xiàn)微馬達(dá)的啟?？刂疲▓D3a）；通過圓柱形磁鐵可以實現(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）條形磁鐵可以實現(xiàn)微馬達(dá)的啟?？刂?；（b）圓柱形磁鐵可以實現(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