3D打印的低电压驱动微型软体机器人

在低雷诺数的流体环境中，黏性力远大于惯性力，这促使微米级纤毛结构进化出动态调节摆动模式的能力，以实现高效的游动、移动和环境操控。天然纤毛能产生三维非往复运动，而协调运动（如纤毛波）可有效运输流体。例如，海星幼虫、草履虫等通过协调纤毛阵列完成游泳、摄食等活动；哺乳动物中，纤毛流动支持神经细胞成熟、气道清洁等关键生理过程。然而，在人工系统中复制这些动态特征一直面临挑战，现有人工纤毛在小型化、动态性能、运动自由度等方面难以媲美天然纤毛。

本研究采用双光子聚合3D打印技术，将水凝胶的孔径从传统毫米级水凝胶的几十微米缩小到纳米级。这种纳米孔隙增加了有效表面积和双电层容量，增强了离子传输和电渗流。研究制备出由丙烯酸-丙烯酰胺共聚物（AAc-co-AAm）水凝胶构成的微纤毛阵列，其弹性模量约为1000Pa，直径2-10μm，高度18-90μm。在低至1.5V的电压（无水解反应）下，这些微纤毛可在毫秒内响应电刺激，实现高达40Hz的三维旋转弯曲运动，与天然纤毛的几何形态和动态特性相似。

水凝胶微纤毛的弯曲机制源于离子迁移：在去离子水中，羧酸基团解离的H⁺离子在电场下迁移并聚集在阴极侧，使该区域水凝胶收缩，从而向阴极弯曲；在生理盐水中，Na⁺离子主导，聚集在阴极侧并吸引水分子使该区域溶胀，导致向阳极弯曲。这种离子迁移驱动的运动响应迅速（阶跃响应时间0.1-0.7秒），且耐久性良好——连续驱动33万次循环后性能仅下降不到30%。

研究还实现了微纤毛阵列的可编程运动，包括同步单向弯曲、180°相位差弯曲、三维旋转等。这些阵列可集成在柔性聚酰亚胺基底上，通过微电极阵列实现个体动态控制，并能大规模制备（如10⁶个微纤毛）。在应用方面，水凝胶微纤毛阵列可模拟海星幼虫的涡旋流场，实现微尺度流体操控和颗粒运输，例如通过调整纤毛排列和密度控制涡旋模式，或通过动态编程产生特定流向。

该研究为理解纤毛动力学、开发新型微尺度器件和仿生技术提供了新思路，有望在生物医学、微机器人等领域发挥重要作用。