軟磁水凝膠微結構能完成抓取翻轉

顯微鏡下，當科學家在培養皿上方輕輕揮動一塊小磁鐵，一種比沙粒還小的棒棒糖狀結構會像捕蠅草一樣迅速合攏，瞬間變成一個能夠抓取的微型機器人“抓手”。這是美國麻省理工學院聯合洛桑聯邦理工學院和辛辛那提大學開發的一種新型軟磁水凝膠。相關研究論文發表於最新一期《物質》雜誌。

研究人員介紹，“棒棒糖”所用的材料還可被製成複雜的三維微結構，並在外部磁場作用下完成抓取、翻轉等多種複雜動作，有望用於微型機器人以及藥物釋放、活檢取樣等生物醫學場景。

以往開發的多種磁性微型遊動器，可以在磁場引導下穿過狹小空間，但它們通常是整體移動，就像被磁鐵拖着走，很難完成更精細的動作。

此次研究的不同之處在於，材料不僅能夠整體回應磁場，還可以在微米尺度上實現局部結構的差異化運動和變形，從而完成更複雜的操作。為此，研究團隊在雙光子光刻3D列印技術基礎上，提出了一種“先列印、後賦磁”的“雙浸”工藝：先利用普通聚合物凝膠列印出微結構，再將其依次浸入含鐵離子和氫氧根離子的溶液中，使凝膠內部生成具有磁性的氧化鐵納米顆粒，從而賦予結構磁回應能力。

研究還發現，通過調節列印過程中鐳射強度，可以改變凝膠結構的緻密程度，從而控制其內部生成磁性顆粒的多少，實現對不同微小部件磁性的精細調控。這意味着，在同一微型結構中，各部分可表現出不同的回應行為。

在實驗演示中，團隊製備了類似“棒棒糖”的球杆結構，並為不同球體賦予不同磁性。當磁鐵靠近時，這些結構以不同幅度向磁源彎曲，整體動作類似手指完成抓取。

團隊還製造了一種磁回應“雙穩態”開關。他們列印了一個毫米級長方形凝膠結構，並在兩側連接了四個微型槳狀結構，每個厚約八微米，接近紅細胞大小。當磁鐵靠近一側時，這些“槳”會翻轉並拉動整體結構向該方向移動並鎖定；當磁鐵移至另一側時，結構再次翻轉，實現類似開關的反向切換。

這種結構有望在微流控系統中作為磁性閥門，用於控制流體的開啟與關閉。總體而言，該研究實現了在微尺度上對複雜磁性結構的構建及其性能的空間調控，為軟體微型機機人和可回應材料的發展提供了新的技術路徑。

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