作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 微车辆形式的磁性微致动器的形状编码组件
学分:自然材料，doi: 10
1038/s 14563-019-0407-3 场导向和自推进胶体组件可用于构建微机械，以执行复杂的运动和功能，尽管将它们集成为具有特定结构、动力学和功能的异质组件在微机械内具有挑战性
在最近一项关于自然材料的研究中，尤努斯·阿拉潘(Yunus Alapan)和他在德国和瑞士的物理智能和复杂材料部门的同事描述了具有所需配置的移动微机械的动态自我组装，该组装使用了结构单元和电机单元之间的预编程物理交互
他们利用以单个零件的三维形状编码的介电泳相互作用(DEP)来驱动组件
他们遵循协议，将新型微机械与磁性和自推进马达部件组装在一起，以实现可重构运动，并增加了传统单片微型机器人迄今无法实现的自由度
选址组装策略是通用的，可以在不同的、可重构的、分层的和三维的移动微机械上进行演示
科学家们预测了工作中提出的设计原则，以推进和激励集成在多尺度层次系统中的更复杂的微机械的发展
移动微机械为探测和操纵微观世界以及创建微观和中观尺度的功能秩序/组件提供了巨大的潜力
微机械可以由多个部件、材料或化学物质组成，以实现多种功能，包括驱动、传感、运输和输送
微机械的功能模式和性能可以由其组成部分的集体组织和相互作用来决定
例如，在旋转磁场下相互作用的磁性粒子可以组装成链条或轮子，能够靠近固体表面移动
同样，科学家已经在活的晶体中开发了光激活的微锥，并通过调节化学物质的消耗来允许自我旋转
为了设计更高的复杂性，生物工程和材料科学家必须允许在外部影响下，可编程的物理相互作用进入到形状和材料特定动作的各个部分
例子包括使用虚拟的电和磁模具开发组装成胶体的复合微结构
虽然新的方法已经显示出制造可编程结构组件的希望，但是这些仍然需要转化为移动微机械组件
在目前的工作中，阿拉潘等人
介绍了一种定向组装工艺，通过调制物体的三维几何形状，利用介电泳(DEP)力对物体周围电场梯度的精确受控分布进行编码，从而构建可移动的复合微机械
结果显示了具有通用形状编码装配策略的位置选择性和定向微致动器
他们展示了通过调节DEP力来提供旋转控制，从而改善执行器和车身之间的强度的可能性
Alapan等人
实施一种新的定向装配设计策略，使用形状编码的DEP力控制功能部件之间的操作动态
实验工作将为开发功能性微机械和移动微机器人以执行复杂任务提供丰富的设计空间
通过调整三维几何形状对DEP景点进行空间编码
一种负极化粒子，其相对介电常数低于介质(εp & lt；εm)在非均匀电场下受到朝向较低场量值的DEP力
(b)通过控制物体几何形状周围产生的局部电场梯度，可以将DEP力用于功能部件的编码组装
(c–f)，实体的不同3D表面轮廓(圆角或空腔)改变实体周围的电场强度(c，e)，根据特征尺寸在表面轮廓周围产生局部梯度(r (d，f))
箭头表示圆形区域内的电场梯度，代表位于最大力点的微致动器(直径10米)
彩条归一化电场强度(E/E0)2
(g，h)，负极化的较小致动器受到朝向(F >的DEP力；0)或远离(F & lt0 ),这是由于表面轮廓周围的场梯度
DEP力的大小和方向取决于轮廓类型和特征尺寸(g)以及施加的电压(h)
学分:自然材料，doi: 10
1038/s 14563-019-0407-3 Alapan等人
首先对构造周围的场梯度进行编程，以利用DEP相互作用在期望的位置驱动微机械部件的组装
该装置在电场下的工作原理依赖于组装的微机械的可极化体周围电场的形状相关调节
为了对局部梯度进行编程，他们研究了如何围绕不同的几何形状调制非电场
科学家们随后展示了受电场影响的移动微机械的可控自组装，他们首先关注的是简单微环境的组装
实验微环境包含一个大的非磁性介电球体和多个围绕大球体组织的小磁性微致动器
当他们在Z轴上施加电场时，非磁性物体产生局部电场梯度，以吸引其磁极周围的较小微执行器
新组装的磁性执行器作为推进轮和阿拉潘等人
可以通过施加垂直旋转磁场来改变磁场方向，从而操纵微型车辆
当他们通过增加微致动器的数量来增加微车辆的速度时，当系统中的电压增加时，微车辆的速度反而降低
科学家推测这是由于在DEP相互作用过程中微粒和基质之间的机械耦合增加
研究人员使用这种方法，通过施加电场，用磁性微致动器捕获随机分布的非磁性粒子，然后使用旋转磁场将它们转移到新的位置，在关闭电场时释放出来
带有磁激励器的复合微环境的装配和平移
学分:自然材料，doi: 10
1038/s 14563-019-0407-3 为了控制微泡的旋转自由度
可以调节被动体和微致动器之间的吸引DEP力的强度，以调整它们的机械耦合
例如，在低电压下，小的DEP吸引力导致了松散的基于润滑的耦合现象，允许微致动器围绕磁极自由移动
在合成分子、纳米和微机械用于能量的机械传输的发展过程中，在研究中开发的旋转接头对于特定的生物系统是至关重要的
使用DEP力的磁性微致动器与非磁性体的可逆装配
(a，b)，几个磁性微粒(直径10米)可以在球形非磁性体(直径60米)附近被吸引向磁极(b)周围电场强度较低的区域
彩条归一化电场强度(E/E0)2
(c)装配好的微型机器人在旋转磁场(ω)下通过微执行器的滚动运动进行平移
微型机器人可以通过改变施加的磁场方向来操纵
比例尺，50米
插图，围绕身体装配的磁性微致动器的数量(n)可以通过微致动器的受控捕获来调节
(d，e)，磁性微致动器的数量，以及施加的电压(插图)，决定了组装的微型机器人的速度
比例尺d，30米
(6)当在x-y平面施加旋转磁场时，致动器在低电压下围绕非磁性体自由旋转
随着电压的增加，致动器机械地耦合到非磁性体，这导致微型机器人的刚体旋转
误差线表示s
d
三次重复实验
学分:自然材料，doi: 10
1038/s 14563-019-0407-3 然后，研究人员通过设计具有特定三维几何形状的微机械框架来产生电场梯度，从而实现了具有形状编码物理相互作用的移动微机械的可编程自组装
三维框架有选择地将微执行器吸引到微机械框架本身的所需位置，科学家们使用双光子光刻技术制作了该框架
对于第一个设计，科学家们创造了一个带有四个轮子的口袋的微载体，以产生DEP力，并引导磁性微致动器组件进入口袋
作为垂直旋转磁场的结果，他们在施加电场使poc kets内的磁轮自由旋转的几秒钟内完成了微载体的按需自组装
当他们打开电场到高值时，磁性微致动器自组装到对接位置，用于微转子框架和磁性微致动器之间的刚性耦合
当他们施加一个水平旋转的磁场时，微电机组件就像刚体一样旋转
科学家们扩展了原型，建造了由自动推进的微型马达驱动的可重构微机械
为此，他们设计了由带有金帽的自推进二氧化硅微粒组装而成的微机械
骏利微粒的频率相关自推进和DEP响应使他们能够设计具有可重构空间组织和运动学的移动微机械
这个实验装置也展示了一种自我修复的形式
右图:形状编码的可重构微机械组件，带有用于频率可调运动的自推进微执行器
(一)带有金帽的二氧化硅微粒在高频时能主动移动，在低频时能主动移动，主要是基于同步扩散扩散和ICEP效应
运动方向是朝向西南端的金帽，在ICEP则相反
(二)骏利粒子在高频和低频分别受到朝向较高和较低电场强度的DEP力
(c–e)，设计了一个带有半圆柱形和圆形装配点的微球体，以产生微执行器的频率可调的选择性吸引
骏利粒子在高频时被吸引向半圆柱的赤道线，而在低频时被吸引向圆角处
彩条归一化电场强度(E/E0)2
在半圆柱形位点组装的骏利粒子的推进导致微载体的旋转，而在圆角位点的组装产生线性平移
运动模式的按需重新配置是通过调整频率和重新组织组件的空间布局来实现的
比例尺，25米
左图:通过形状编码DEP相互作用的多微机械的分级装配
(a–c)两步分级装配通过装配带有自推进骏利粒子的微机械单元1和2(I)以及单元1和单元2 (ii)的横向装配进行
微机械单元被设计用于选择性横向组装，其中较大单元2中的壁架的下侧产生吸引较小单元1的低电场
彩条归一化电场强度(E/E0)2
(d，e)，移动微机械的平行装配保持单元的线性运动，而反平行装配导致旋转运动
比例尺，25米
学分:自然材料，doi: 10
1038/s 14563-019-0407-3 Alapan等人
扩展了观察到的形状编码DEP相互作用，通过为分层多机器装配铺平道路来定义移动微机械之间的物理相互作用
作为原理的证明，他们设计了一个两层的微型机械组件
第一层次；自推进致动器与两个微结构单元组装在一起，形成在第二层线性平移的移动微机械；由于低电场的产生，第二单元与单元1横向组装 科学家将当前工作中引入的设计扩展到三维微致动器操作和微机械组装，在芯片实验室设备上应用以促进微对象的连续传输、分类、数字操作和微流体流产生方面具有显著的潜力
通过这种方式，尤努斯·阿拉潘和他的同事设计并实现了可编程的自组装，使用来自模块化结构和电机子单元的微机械的形状导向动态组装，以提供对动态和功能的前所未有的控制
由于科学家成功地将用于感测、货物装载和致动的异质部件结合在一个步骤中，该方法可以为工程多功能/材料微型机器人提供解决方案
对于无电场的应用，如体内生物医学应用，科学家将致力于优化和构建微组件的不可逆组装，以获得最佳性能
这项工作对于在材料科学中开发多功能、可重构的微机械和启发生命的复杂层次系统，以应用于微机器人学、胶体科学、医学和自主微系统具有巨大的潜力
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