Adv. Mater：新型循环立体光固化3D打印技术助力微型磁性软体机器人(2)
时间：2022-02-19 21:07 来源：YiZ 微纳分子诊断实验室 作者：admin 阅读：次
与上述介绍的机器人不同，微型磁性软体水母机器人（图4i）充分利用了锶铁氧体可被永久磁化的特性。打印完成后，水母机器人被定制的夹具固定住，然后放入1.1T的均匀磁场中在特定的方向上磁化。水母机器人是被一个由9个电磁铁所组成的均匀磁场所控制的，20 mT的垂直向上磁场会使水母机器人的触手向上运动，-8mT的垂直向下磁场会使触手向下运动。当这两种磁场以5Hz的频率交替出现时，中空的水母机器人所受到的浮力和触手运动产生的推力共同作用使得水母机器人以4.8mm/s的速度向上游动。本文同时还展示了另外两个可在水中以刚性运动前进的微型机器人：鱼形机器人与螺旋机器人（图5）。鱼形机器人也是由上下震荡的磁场所驱动，它的整个身体在水中上下拍打类似于鱼类的游动，从而产生推力。螺旋机器人则由一个垂直于前进方向的旋转磁场使其不断旋转，用来将液体推向后方，从而推动其向前运动。
图4：非栓系磁性微型机器人：a）毛毛虫机器人
；b）木马机器人；c）毛毛虫机器人的运动原理；d）毛毛虫机器人推动一个液滴；e) 毛毛虫机器人将一个液滴射向另一个液滴，使之融合；f)
木马机器人同时推动两个液滴；g)毛毛虫机器人的步幅；h)木马机器人的步幅；i）水母机器人以及它的磁化方向；j) 水母机器人在水里向上游动。
图5：水下磁性微型机器人：a）螺旋机器人的磁化方向以及其沿着方形路径的移动；b) 小鱼机器人的磁化方向以及其沿着Z路径的移动。
磁性微型软体机器人对液滴的灵活操作能力非常适用于磁性数字微流体平台，传统的磁性数字微流体平台依赖于在液滴中加入磁性颗粒，液滴只能在二维平面内运动，而微型机器人可以轻易地让液滴在三维空间内运动，有利于促进磁性数字微流体平台的发展。作为这种潜力的有力证明，本文的作者设计并制造了磁性软体机器人自动化控制平台并且成功实现对碳青霉烯类抗生素耐药性的检测，检测过程全程自动化，无需人工干预，最大程度上保证了操作人员的安全与减少样品的污染。该平台主要由一个工具箱，一个超疏水反应台和一个机械臂组成（图6a）。工具箱包含生物检测所需要的基本工具，反应台是液滴进行各种操作的平台，机械臂可以自动选择每个步骤需要的工具并进行试剂的分发、样品的添加以及液滴的移动与融合等功能。机械臂首先控制机械爪从微流体液滴生成器的出口处抓取并将反应缓冲液滴和样品缓冲液滴放置在反应台上的指定位置（图6bi~iv），右侧的反应缓冲液滴包含亚胺培南（一种碳青霉烯类抗生素药物），左侧的则不包含作为控制对照组；机械臂接着选择样品添加工具将细菌从培养基中添加入两个样品缓冲液滴中并且上下震动使细菌充分融入液滴中（图6bv~vi）；然后机械臂选择机器人放置工具将毛毛虫机器人放在反应台上指定位置（图6bvii~ix），机械臂再次选择机器人驱动工具来控制毛毛虫机器人推动两个液滴进行融合（图6bx），待液滴融合之后，机器人驱动工具还可以用来将使用过的机器人丢弃到指定位置（图6bxi~xii）；剩下的两个液滴则由另一个毛毛虫机器人在相同的操作下融合；融合的过程中，机械臂会选择混合工具在液滴中进行搅拌使之充分融合（图6bxiii）；最后机械臂将用一个盖子罩住液滴减少液滴的蒸发，液滴将充分反应1个小时（图6bxiv~xvi）。如果该细菌是有耐药性，则它将水解亚胺培南，反应缓冲液滴从红色变为黄色。与之相反，反应缓冲液滴保持红色则表明该细菌没有耐药性。本文一共测试了8种细菌，反应结果被映射到CIE 1931色彩空间（图6c）作为定量分析，其非常清晰地表明与目前成熟的方法所获得的结果相一致（图6d）。
图6：可进行体外诊断的磁性微型软体机器人自动化控制平台：a）自动化控制平台示意图；b）在平台上对碳青霉烯类抗生素耐药性进行检测的操作程序：i-ii：放置反应缓冲液滴；iii-iv：放置样品缓冲液滴；v：从培养基上提取细菌；vi：将细菌放入样品缓冲液的液滴中；vii-ix：放置毛毛虫机器人于反应平台上的适当位置；x：毛毛虫机器人在磁场的驱动下推动液滴进行融合；xi-xii：使用过的毛毛虫机器人被丢弃在指定位置；xiii：在液滴内部进行搅拌，保证液滴的充分融合；xiv-xv:
盖子罩住液滴；xvi：充分反应1小时后；c）检测的结果映射到CIE
1931色彩空间，有耐药性的细菌在+区域，没有耐药性的细菌在-区域；d）8种细菌的检测结果与传统方法得到的结果对比。
原文链接：Magnetic Soft Millirobots 3D Printed by Circulating Vat Photopolymerization to Manipulate Droplets Containing Hazardous Agents for In Vitro Diagnostics
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200061
(责任编辑：admin)
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