尺寸在微米到釐米級別的微尺度游泳驅動器，在外界訊號（如電場、磁場、化學物質、光等）的刺激下，在液體表面或體相中執行各種游泳運動模式，在能量轉換、靶向給藥、生物醫學工程和環境修復等領域有廣闊應用前景。光作為一種普遍存在的能源，易於實現空間和時間的控制，並具有遠端操控、綠色環保等優點。目前實現的光碟機動遊動主要包括三種模式：形變驅動、蒸汽/氣泡驅動、基於化學/熱Marangoni效應（表面張力梯度驅使液體流動）的表面張力驅動。最初的游泳驅動器相當於只有一個馬達，隨著光照訊號的開關，驅動器做出走和停的相應行為，但實現自由運動還需要一個控制方向的方向盤，即在平面內加一個自由度-轉動。對於游泳驅動器，轉動意味著要對驅動器兩側施加不對稱的驅動力。傳統方法是把光束聚焦在驅動器的某一個非中心部位，產生不平衡的推動力來實現轉動。但對於微尺度驅動器，要在運動過程中把光亦步亦趨地聚焦於其上的某一個特定點難以維持的。因此，設計一種大光斑全覆蓋照射，即在全區域光操控下實現包含平移和轉動的多自由度運動可程式設計游泳驅動器成為挑戰。
近日，中國科學院理化技術研究所仿生智慧介面科學中心研究人員與中科院力學研究所合作，透過將不同的波長引數引入光訊號，基於波長控制的光熱Marangoni效應，在全區域光照下實現了複雜光訊號驅動的可程式設計多自由度游泳驅動器。該研究製備了不同染料摻雜的聚二甲基矽氧烷作為波長選擇性光熱單元，在特定波長光的照射下獲得非對稱的光熱模式及表面張力梯度，透過Marangoni效應產生非對稱的驅動力實現多自由度運動。該工作實現了雙波長驅動的線性進-退運動（1D）與左轉/右轉運動（2D），轉速可調的順時針/逆時針方向齒輪旋轉運動。此外，結合運用三種不同的光訊號（532 nm的綠光、650 nm的紅光和連續波長的白光）可使驅動器靈活地穿過複雜迷宮。上述功能性運動模式顯示了其在遊動任務執行中的應用潛力。
雖然Marangoni效應被廣泛運用於各種驅動器，但納牛級別的驅動力難以用儀器直接測量，且由於表面體系的複雜性，基於表面張力對驅動力的理論計算量值往往存在較大偏差。透過與中科院力學所研究員關東石課題組合作，該工作建立了一種直接測量水面遊動器件驅動力的實驗系統。該實驗系統首先利用一根拉伸毛細管（針尖直徑3 μm）直接測量出驅動器遊動時造成的針尖位移，後透過增重法（added-mass method）使用一系列水滴校準了針尖位移所對應的作用力大小。測試結果與透過驅動器加速度計算的力學數值吻合較好，從實驗測量角度為各類遊動驅動器的力學表徵與理論分析提供了依據。在製造方面，該系統所採用的材料通用常見、成本低廉，製作方法簡便省時，這種可獲得性為大規模製造、模組化裝配/替換以及定製化設計提供了可能。此外，該工作也為基於光的多引數（強度、波長、偏振）控制驅動系統提供了有益視角。
相關研究成果以Programmable Light-Driven Swimming Actuators via Wavelength Signal Switching為題，發表在Science Advances上。
圖1.基於marangoni效應的波長選擇性遊動驅動示意圖
圖2.游泳驅動器的驅動力直接實驗測量系統
來源：中國科學院理化技術研究所
