Assemblaggio codificato in forma di microattuatori magnetici sotto forma di microveicolo. Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0407-3
L'assemblaggio colloidale diretto sul campo e semovente può essere utilizzato per costruire micromacchine per eseguire movimenti e funzioni complessi, sebbene la loro integrazione come componenti eterogenei con strutture specificate, dinamica e funzioni all'interno di micromacchine è impegnativo. In un recente studio su Materiali della natura , Yunus Alapan e colleghi dei dipartimenti di intelligenza fisica e materiali complessi in Germania e Svizzera hanno descritto l'autoassemblaggio dinamico di micromacchine mobili con le configurazioni desiderate utilizzando interazioni fisiche preprogrammate tra unità strutturali e motorie.
Hanno guidato l'assemblaggio utilizzando interazioni dielettroforetiche (DEP) codificate in una forma tridimensionale (3-D) di singole parti. Hanno seguito il protocollo assemblando le nuove micromacchine con parti di motore magnetiche e semoventi per la locomozione riconfigurabile e gradi di libertà aggiuntivi finora non realizzati con i microrobot monolitici convenzionali. La strategia di assemblaggio site-selective era versatile e poteva essere dimostrata su diversi, riconfigurabile, micromacchine mobili gerarchiche e tridimensionali (3-D). Gli scienziati anticipano i principi di progettazione presentati nel lavoro per far avanzare e ispirare lo sviluppo di micromacchine più sofisticate integrate in sistemi gerarchici multiscala.
Le micromacchine mobili offrono un potenziale significativo per sondare e manipolare il mondo microscopico e creare ordini/assemblaggi funzionali su scala micro e meso. Una micromacchina può essere composta da più parti, materiali o chimiche per affrontare molteplici funzioni, compresa l'attivazione, rilevamento, trasporto e consegna. Le modalità funzionali e le prestazioni di una micromacchina possono essere dettate dall'organizzazione collettiva e dall'interazione dei suoi costituenti.
Ad esempio, le particelle magnetiche che interagiscono sotto campi magnetici rotanti possono assemblarsi in catene o ruote in grado di muoversi vicino a superfici solide. Allo stesso modo, gli scienziati hanno sviluppato micronuotatori attivati dalla luce all'interno di cristalli viventi e hanno permesso l'autorotazione regolando il consumo di sostanze chimiche. Per progettare una maggiore complessità, i bioingegneri e gli scienziati dei materiali devono consentire interazioni fisiche programmabili in singole parti per azioni specifiche per forma e materiale sotto influenze esterne. Gli esempi includono lo sviluppo di microstrutture composite assemblate come colloidi utilizzando stampi elettrici e magnetici virtuali.
Mentre i nuovi approcci hanno mostrato la promessa di costruire assiemi strutturali programmabili, questi restano da tradurre in complessi di micromacchine mobili. Nel presente lavoro, Alapan et al. ha introdotto un processo di assemblaggio diretto per costruire micromacchine composte mobili utilizzando forze dielettroforetiche (DEP) per codificare la distribuzione controllata con precisione dei gradienti di campo elettrico attorno a un corpo modulando la sua geometria 3D.
I risultati hanno mostrato microattuatori selettivi e direzionali per il sito con una strategia di assemblaggio con codifica della forma versatile. Hanno mostrato la possibilità di migliorare il rafforzamento tra gli attuatori e il corpo sintonizzando le forze DEP per fornire il controllo sulla rotazione. Alapan et al. ha implementato una nuova strategia di progettazione di assemblaggio diretto per controllare le dinamiche operative tra i componenti funzionali utilizzando forze DEP codificate dalla forma. Il lavoro sperimentale fornirà un ricco spazio di progettazione per sviluppare micromacchine funzionali e microbot mobili per eseguire compiti complessi.
Codifica spaziale dei siti di attrazione DEP modulando la geometria 3D. (un), Una particella polarizzata negativamente, con una permittività relativa inferiore rispetto al mezzo (εp<εm) subisce una forza DEP verso le magnitudini di campo inferiori sotto un campo elettrico non uniforme. (B), Le forze DEP possono essere sfruttate per l'assemblaggio codificato di componenti funzionali controllando i gradienti di campo elettrico locale generati attorno a un corpo attraverso la sua geometria. (c-f), Diversi profili di superficie 3D (raccordo o cavità) di un corpo solido alterano l'intensità del campo elettrico attorno al corpo (c, e), creare gradienti locali attorno ai profili della superficie a seconda della dimensione della feature, r (d, F). Le frecce rappresentano i gradienti di campo elettrico all'interno della regione circolare che rappresenta un microattuatore (diametro 10 µm), che si trova nel punto di massima forza. Intensità del campo elettrico normalizzata della barra dei colori (E/E0)2. (G, h), Gli attuatori più piccoli con polarizzazione negativa subiscono una forza DEP verso (F> 0) o lontano (F<0) dal rientro a causa del gradiente di campo attorno al profilo della superficie. L'entità e la direzione della forza DEP dipendono dal tipo di profilo e dalle dimensioni della caratteristica (g), così come la tensione applicata (h). Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0407-3
Alapan et al. prima programmato i gradienti di campo attorno a un costrutto per guidare l'assemblaggio di parti di micromacchine nelle posizioni desiderate utilizzando le interazioni DEP. Il principio di funzionamento del dispositivo in presenza di campi elettrici si basava sulla regolazione dipendente dalla forma dei campi elettrici attorno ai corpi polarizzabili della micromacchina assemblata. Per programmare i gradienti locali, hanno studiato come i campi non elettrici potrebbero essere modulati attorno a diverse geometrie.
Gli scienziati hanno quindi dimostrato l'autoassemblaggio controllato di micromacchine mobili influenzate da campi elettrici, dove si sono inizialmente concentrati sull'assemblaggio di un semplice microveicolo. Il microveicolo sperimentale conteneva un grande corpo sferico dielettrico non magnetico e più microattuatori magnetici più piccoli organizzati attorno al corpo più grande. Quando hanno applicato un campo elettrico nell'asse Z, il corpo non magnetico ha generato gradienti di campo elettrico locale per attirare microattuatori più piccoli attorno ai suoi poli. Gli attuatori magnetici appena assemblati fungevano da ruote di propulsione e Alapan et al. potrebbe guidare il microveicolo cambiando la direzione del campo magnetico applicando un campo magnetico rotante verticalmente.
Mentre aumentavano la velocità del microveicolo aumentando il numero di microattuatori, quando la tensione nel sistema è aumentata, la velocità del microveicolo è invece diminuita. Gli scienziati hanno ipotizzato che ciò sia dovuto a un maggiore accoppiamento meccanico tra le microparticelle e il substrato durante le interazioni DEP. I ricercatori hanno utilizzato il metodo per catturare, distribuiti casualmente, particelle non magnetiche con microattuatori magnetici applicando un campo elettrico, quindi li ha tradotti in una nuova posizione utilizzando un campo magnetico rotante per il rilascio alla disattivazione del campo elettrico.
Assemblaggio e traslazione di un microveicolo composto con attuatori magnetici. Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0407-3
Per controllare i gradi di libertà rotazionali del microveicolo, Alapan et al. potrebbe regolare la forza delle forze attrattive DEP tra il corpo passivo e i microattuatori per regolare il loro accoppiamento meccanico. Ad esempio, a bassa tensione, le piccole forze attrattive DEP hanno portato a un fenomeno di accoppiamento allentato basato sulla lubrificazione che consente ai microattuatori di muoversi liberamente attorno al palo. I giunti rotatori sviluppati nello studio possono diventare cruciali per specifici sistemi biologici durante lo sviluppo di molecole sintetiche, nano e micromacchine per applicazioni nella trasmissione meccanica dell'energia.
Assemblaggio reversibile di microattuatori magnetici con corpo non magnetico mediante forze DEP. (un, B), Diverse microparticelle magnetiche (diametro 10 µm) possono essere attratte vicino a un corpo sferico non magnetico (diametro 60 µm) (a) verso regioni con intensità di campo elettrico inferiore attorno ai poli (b). Intensità del campo elettrico normalizzata della barra dei colori (E/E0)2. (C), Il microrobot assemblato trasla tramite il movimento di rotazione dei microattuatori sotto un campo magnetico rotante (ω). Il microrobot può essere guidato cambiando la direzione del campo magnetico applicato. Barra della scala, 50µm. inserto, il numero di microattuatori magnetici (n) assemblati attorno al corpo può essere regolato dalla cattura controllata dei microattuatori. (D, e), Il numero di microattuatori magnetici, così come la tensione applicata (inserto), determinare la velocità dei microrobot assemblati. Barra della scala in d, 30µm. (F), Quando viene applicato un campo magnetico rotazionale nel piano x–y, gli attuatori ruotano liberamente attorno al corpo amagnetico a basse tensioni. Con l'aumento della tensione, attuatori accoppiati meccanicamente al corpo amagnetico, che si traduce nella rotazione del corpo rigido del microrobot. Le barre di errore indicano s.d. di tre repliche sperimentali. Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0407-3
I ricercatori hanno quindi realizzato l'autoassemblaggio programmabile di micromacchine mobili con interazioni fisiche codificate dalla forma progettando telai di micromacchine con geometrie 3D specifiche per generare gradienti di campo elettrico. La struttura 3D ha attratto selettivamente i microattuatori nelle posizioni desiderate sul telaio stesso della micromacchina che gli scienziati hanno fabbricato utilizzando la litografia a due fotoni. Per il primo disegno, gli scienziati hanno creato una microcar con tasche a quattro ruote per generare forze DEP e guidare l'assemblaggio di microattuatori magnetici nelle tasche. Hanno eseguito l'autoassemblaggio su richiesta della microcar in pochi secondi dall'applicazione di un campo elettrico per la rotazione libera delle ruote magnetiche all'interno delle tasche come risultato di un campo magnetico rotante verticalmente. Quando hanno acceso il campo elettrico ad un valore alto, i microattuatori magnetici autoassemblati nei siti di attracco per l'accoppiamento rigido tra il telaio del microrotore e i microattuatori magnetici. Quando hanno applicato un campo magnetico rotante orizzontalmente, il gruppo micromotore ruotava come un corpo rigido.
Gli scienziati hanno ampliato il prototipo per costruire micromacchine riconfigurabili alimentate da micromotori semoventi. Per questo, hanno progettato micromacchine assemblate con silice Janus semovente (SiO 2 ) microparticelle con cappuccio dorato (Au). L'autopropulsione dipendente dalla frequenza e la risposta DEP delle microparticelle di Janus hanno permesso loro di progettare micromacchine mobili con organizzazione spaziale e cinematica riconfigurabili. Questa configurazione sperimentale ha anche dimostrato una forma di autoriparazione.
A DESTRA:Assemblaggio riconfigurabile con codifica di forma di micromacchine con microattuatori semoventi per locomozione sintonizzabile in frequenza. (un), Le microparticelle Janus SiO2 con un cappuccio Au possono muoversi attivamente in base a sDEP ad alte frequenze e ICEP a basse frequenze. La direzione della locomozione è verso l'Au cap in sDEP e inverte in ICEP. (B), La particella Janus sperimenta una forza DEP verso magnitudini del campo elettrico più alte e più basse alle alte e basse frequenze, rispettivamente. (c–e), Un corpo di microcar con siti di assemblaggio emicilindrici e filettati è progettato per generare un'attrazione selettiva sintonizzabile in frequenza dei microattuatori. Le particelle di Giano sono attratte verso la linea equatoriale degli emicilindri alle alte frequenze e verso il sito raccordato alle basse frequenze. Intensità del campo elettrico normalizzata della barra dei colori (E/E0)2. La propulsione delle particelle di Janus assemblate nei siti emicilindrici provoca la rotazione del corpo della microcar, mentre l'assemblaggio nel sito raccordato genera una traslazione lineare. F, G, La riconfigurazione su richiesta della modalità di locomozione si ottiene sintonizzando la frequenza e riorganizzando la disposizione spaziale dell'assieme. Barre della scala, 25µm. A SINISTRA:Assemblaggio gerarchico di più micromacchine tramite interazioni DEP codificate dalla forma. (AC), L'assemblaggio gerarchico in due fasi avviene dall'assemblaggio delle unità di micromacchine 1 e 2 con particelle Janus semoventi (i) e dall'assemblaggio laterale dell'unità 1 e dell'unità 2 (ii). Le unità di micromacchine sono progettate per il montaggio laterale selettivo, dove le parti inferiori delle sporgenze nell'unità più grande 2 generano bassi campi elettrici che attraggono l'unità più piccola 1. La barra dei colori ha normalizzato l'intensità del campo elettrico (E/E0)2. (D, e), Il montaggio parallelo di micromacchine mobili mantiene il movimento lineare delle unità, mentre l'assemblaggio antiparallelo determina un movimento rotatorio. Barre della scala, 25µm. Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0407-3
Alapan et al. ha ampliato le interazioni DEP codificate dalla forma osservate per definire le interazioni fisiche tra le micromacchine mobili, aprendo la strada a assemblaggi gerarchici multi-macchina. Come prova di principio, hanno progettato un assemblaggio gerarchico a due livelli tra le micromacchine costituenti.
Gli scienziati hanno esteso il design introdotto nel presente lavoro alla manipolazione di microattuatori 3D e all'assemblaggio di micromacchine con un potenziale significativo per l'applicazione su dispositivi lab-on-a-chip per facilitare il trasporto continuo, ordinamento, manipolazione digitale di microoggetti e generazione di flussi microfluidici. In questo modo, Yunus Alapan e collaboratori hanno progettato e implementato l'autoassemblaggio programmabile utilizzando l'assemblaggio dinamico orientato alla forma di micromacchine da subunità strutturali e motorie modulari per fornire un controllo senza precedenti su dinamiche e funzioni. Il metodo può fornire una soluzione per progettare microrobot multifunzionali/materiali poiché gli scienziati sono riusciti a incorporare i componenti eterogenei per il rilevamento, carico e azionamento del carico insieme in un unico passaggio.
Per applicazioni senza campi elettrici come le applicazioni biomediche in vivo, gli scienziati mireranno a ottimizzare e sfruttare l'assemblaggio irreversibile di microcomponenti per prestazioni ottimizzate. Il lavoro ha un potenziale significativo per lo sviluppo multifunzionale, micromacchine riconfigurabili e sistemi gerarchici complessi ispirati alla vita nella scienza dei materiali per applicazioni in microrobotica, scienza colloidale, medicina e microsistemi autonomi.
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