[論文レビュー] 3-D Printed Swimming Microtori for Cargo Transport and Flow Manipulation

Remmi Baker, Thomas D. Montenegro‐Johnson+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Micro and Nano Robotics参考文献 53被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、磁界制御により2つの泳ぎ方—直線的およびサイクロイダル—を自律的に入れ替える3Dプリントされた化学駆動型マイクロトーラスを実証した。これにより、受動的粒子の能動的輸送や、流体の流れに沿って整列させることで自己駆動型ナノロッドの操作が可能になった。このシステムは、形状プログラミングされた推進力と表面電荷不安定性を活用し、生物学的キャリア輸送やアクティブマター制御の応用が期待される、プログラマブルで多様な行動を示すマイクロスイマーを実現した。

ABSTRACT

Through billions of years of evolution, microorganisms mastered unique swimming behaviors to thrive in complex fluid environments. Limitations in nanofabrication have thus far hindered the ability to design and program synthetic swimmers with the same abilities. Here we encode multi-behavioral responses in artificial swimmers such as microscopic, self-propelled tori using nanoscale 3D printing. We show experimentally and theoretically that the tori continuously transition between two primary swimming modes in response to a magnetic field. The tori also manipulate and transport other artificial swimmers, bimetallic nanorods, as well as passive colloidal particles. In the first behavioral mode, the tori accumulate and transport nanorods; in the second mode, nanorods align along the tori's self-generated streamlines. Our results indicate that such shape-programmed microswimmers have the potential to manipulate biological active matter, e.g. bacteria or cells.

研究の動機と目的

• ナノスケール3Dプリントを用いて、プログラマブルな行動を示す自律的で多応答性を持つマイクロスイマーの設計および製造を目的とする。
• 合成スイマーが複雑な生物学的泳ぎ方を模倣できないように制限するナノファブリケーションの限界を克服することを目的とする。
• 形状および場のプログラミングによるマイクロスイマーを用いて、受動的コロイドおよび自己駆動型アクティブマター（例：バイメタリックナノロッド）の能動的操作を可能とすることを目的とする。
• 境界付近における安定な泳ぎ方の状態と方向制御の出現を説明する、流体力学的モデルの構築を目的とする。
• 生物学的キャリアの標的輸送および細胞や細菌などのアクティブバイオロジカルシステムの制御への応用を検討することを目的とする。

提案手法

• 2光子リソグラフィーを用いて、過酸化水素中で拡散フォアレティック推進を示すプラチナ触媒パッチを有する化学駆動型ジャンスマイクロトーラスをプロセスした。
• ニッケル結合性層を設計して磁気応答性を付与し、外部磁界によるトーラス軸の方向制御を可能にした。
• 自己電気泳動推進を用いて表面のスリップ速度を誘発し、静電気的反発力と流体力学的力によって境界面の上に浮遊するようにした。
• 自己誘発スリップ速度と静電ポテンシャルを組み込んだ流体力学的モデルを開発し、安定な浮遊および滑走状態を予測した。
• 電荷分布と境界相互作用に基づく、水平（直線的）および傾斜（サイクロイダル）泳ぎ方の間の遷移をシミュレーションおよび実験的に検証した。
• 二重モード機能を実証した：(1) 高密度ナノロッドの直線的輸送、および (2) 流体の流れの制御によるナノロッドのストリームラインに沿った整列。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3Dプリントされたマイクロトーラスは、制御可能な異なる泳ぎ方の間を切り替える安定で自律的な泳ぎを実現できるか？
• RQ2 表面電荷不安定性、自己誘発スリップ流、境界相互作用の相互作用が、マイクロトーラスの方向と運動をどのように支配するか？
• RQ3 人工マイクロスイマーは、能動的かつプログラマブルに他のアクティブ粒子（例：バイメタリックナノロッド）を集積・輸送・操作できるか？
• RQ4 形状プログラミングされたマイクロスイマーは、集団的輸送や整列といった生物学的アクティブマターで見られる複雑な行動をどの程度再現できるか？
• RQ5 純粋な流体力学的モデルは、境界付近におけるマイクロトーラスの安定な泳ぎ方の配置と方向転換の出現を予測できるか？

主な発見

• 2光子リソグラフィーで作製されたトーラスは、自己電気泳動スリップ速度と静電気的反発力により、自然に対称性を破り、表面の上に浮遊する。
• トーラスは2つの明確な泳ぎ方をとる：水平方向を向いた状態で直線的輸送を行うモード、垂直方向を向いた状態でサイクロイダル運動を行うモード。これらは外部磁界によって制御可能である。
• 直線的モードでは、トーラスが高密度バイメタリックナノロッドを能動的に集積・輸送し、能動的キャリア輸送を実証した。
• 垂直モードでは、トーラスが自ら生成する流体ストリームラインに沿って周囲のバイメタリックナノロッドを整列させ、アクティブマターの操作を可能にした。
• 単位活性度および移動度を持つシミュレーテッドトーラスは、追加密度に依存した高さで浮遊し、中性浮力の閾値はρ = 4.33である。
• 初期に水平に配置された電荷を帯びたトーラスは、静電気的トルクと流体力学的スリップ力の競合により、安定な滑走角度12°に緩やかに落ち着く。