南京大學(xué)在微納仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)及操控方面取得研究成果

近年來，微納仿生機(jī)器人在疾病精準(zhǔn)診斷、藥物研發(fā)和遞送以及MEMS/NEMS等前沿應(yīng)用領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。其中，開發(fā)具有高度靈活性和精準(zhǔn)操作性的微納仿生機(jī)器手（Bionic gripper robotics）結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)精確遞送、微觀組裝和功能調(diào)控等核心功能不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)能力。然而，目前基于微加工或組裝工藝制備的機(jī)械手通常尺寸較大（毫米~厘米量級），并且傳統(tǒng)的靜電、電熱或應(yīng)力驅(qū)動方式依賴較高驅(qū)動電壓且制動時(shí)間較長，不利于實(shí)現(xiàn)更高精度、多維度和更靈活的操控需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對上述技術(shù)挑戰(zhàn)，南京大學(xué)余林蔚教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于超細(xì)晶硅納米線（nanowires, NWs）定位生長和形貌編程能力實(shí)現(xiàn)的極簡仿生機(jī)械手可靠制備和仿生微納機(jī)械手操控應(yīng)用策略。首先，基于課題組自主創(chuàng)新的（In-plane solid-liquid-solid, IPSLS）納米線生長模式，引導(dǎo)生長具有反嵌套Ω環(huán)形狀的超長、精細(xì)（直徑約100 nm）晶硅納米線；其次，將之組裝成為懸空導(dǎo)電溝道，在磁場背景下通過可精確調(diào)控的驅(qū)動電流，產(chǎn)生由納米線形貌定向的洛倫茲力，激勵微納機(jī)械手實(shí)現(xiàn)一些列高靈活、大振幅和多維度的三維夾取、翻轉(zhuǎn)、扭動和釋放等類手指（finger-like）仿生操作能力。

由于采用超細(xì)納米線作為機(jī)械手支架，并融合了IPSLS納米線獨(dú)特的柔性形貌設(shè)計(jì)優(yōu)勢，此微納仿生機(jī)械手可以在較低的交流驅(qū)動電流下實(shí)現(xiàn)多模態(tài)高頻振蕩（甚至諧振），對于克服在微觀世界中普遍存在的粘性范德華力，實(shí)現(xiàn)可靠且精準(zhǔn)地載荷釋放，提供了十分有利的調(diào)控新維度。最后，基于該機(jī)械手的“雙手協(xié)同”還成功地展示了對micro-LED單元的準(zhǔn)確拾取、在線測試和定位安裝。此“單納米線塑形”（single nanowire morphing）極簡微納制備和洛倫茲力驅(qū)動策略將為快速設(shè)計(jì)、定形和驗(yàn)證各類新穎仿生機(jī)器手提供一個(gè)極其方便、靈活和強(qiáng)大的制備應(yīng)用平臺，并有望在微生物/細(xì)胞操縱、基因工程、精密組裝和高靈敏探測等前沿領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖1 單納米線塑形設(shè)計(jì)思路及微納仿生機(jī)械手“定位、定形”引導(dǎo)生長、制備和組裝工藝流程。

圖2 洛倫茲力驅(qū)動下微納仿生機(jī)械手“抓合-釋放”操控。

圖3 微納仿生機(jī)械手精準(zhǔn)拾取、多維操作和振動輔助負(fù)載釋放。

圖4 微納仿生機(jī)械手“雙手協(xié)同”操作實(shí)現(xiàn)微球傳遞以及微型LED點(diǎn)亮。

上述工作以“Ultracompact single-nanowire-morphed grippers driven by vectorial Lorentz forces for dexterous robotic manipulations”為題發(fā)表于《Nature Communications》期刊。其中，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生嚴(yán)江同學(xué)為論文第一作者，余林蔚教授和劉宗光副研究員為論文通訊作者。此工作的開展得到了南京大學(xué)陳坤基教授、徐駿教授、施毅教授和王軍轉(zhuǎn)教授的支持和指導(dǎo)，以及國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、面上和青年項(xiàng)目的資助。

審核編輯：劉清