[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究展示了通过3D打印制造的化学驱动微型环形体，其可通过磁场控制自主在两种游泳模式间切换——直线型与螺旋型，从而实现对被动粒子的主动运输，并通过沿流体流线对齐的方式操控自推进纳米棒。该系统利用形状编程推进与表面电荷不稳定性，实现可编程、多行为的微型游泳，具有在生物载荷递送与活性物质控制方面的潜在应用。

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.

研究动机与目标

• 通过纳米尺度3D打印设计并制造具有可编程行为的自主、多响应微型游泳器。
• 克服纳米制造限制，使合成游泳器能够模仿复杂的生物游泳行为。
• 利用形状与场编程的微型游泳器，实现对被动胶体与自推进活性物质（如双金属纳米棒）的主动操控。
• 建立流体动力学模型，解释微型环形体在边界附近出现稳定游泳状态与方向控制的机理。
• 探索在靶向生物载荷递送及活性生物系统（如细胞或细菌）控制中的应用。

提出的方法

• 利用双光子光刻技术，通过铂催化区域制造化学驱动的Janus型微型环形体，实现过氧化氢溶液中的扩散电泳推进。
• 设计镍结合层以赋予磁响应性，通过外加磁场实现对环形体轴向取向的外部控制。
• 利用自电泳推进诱导表面滑移速度，使环形体因静电排斥与流体动力力而悬浮于边界之上。
• 开发流体动力学模型，整合自诱导滑移速度与静电势，以预测稳定悬浮与滑行状态。
• 通过模拟与实验验证，基于电荷分布与边界相互作用，实现水平（直线型）与倾斜（螺旋型）游泳模式之间的转换。
• 实现双模式功能：（1）直线运输高密度纳米棒；（2）通过流体动力流操控，使纳米棒沿流线对齐。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D打印的微型环形体能否实现稳定、自主的游泳，并可控地在不同游泳模式间切换？
• RQ2 表面电荷不稳定性、自诱导滑移流与边界相互作用之间的相互作用，如何调控微型环形体的方向与运动？
• RQ3 人工微型游泳器能否以可编程方式主动聚集、运输并操控其他活性粒子（如双金属纳米棒）？
• RQ4 形状编程的微型游泳器在多大程度上能复现生物活性物质中观察到的复杂行为，如集体运输与对齐？
• RQ5 纯流体动力学模型能否预测微型环形体在表面附近出现稳定游泳构型与方向转换？

主要发现

• 通过双光子光刻制造的环形体自发打破对称性，因自电泳滑移速度与静电排斥而悬浮于表面之上。
• 环形体在两种不同游泳模式间转换：水平取向用于直线运输，垂直取向用于螺旋运动，由外加磁场控制。
• 在直线模式下，环形体可主动聚集并运输高密度双金属纳米棒至目标位置，实现主动载荷递送。
• 在垂直模式下，环形体诱导附近双金属纳米棒沿其自生成的流体流线对齐，实现对活性物质的操控。
• 模拟显示，单位活性与迁移率的环形体悬浮高度取决于其附加密度，中性浮力阈值位于 ρ = 4.33。
• 初始水平且带电的环形体因静电扭矩与流体动力滑移力的竞争，弛豫至稳定的滑行角度12°。