想象一下，如果我們能準確地在微觀世界中執行任務，成為這個小世界的建築師，那將是多麼令人興奮！ 這就是微執行器使我們能夠精確控制精細結構運動的能力，推動微機電系統（MEMS）在微機械人、生物醫學裝置、整合電子等領域的應用和發展。
為了精確控制這些微小的結構，科學家們採用了各種非接觸式控制方法，包括磁、溫度、光和聲音控制。 這些控制技術通常依賴於一系列複雜的智慧型材料，例如刺激響應水凝膠、液晶彈性體和壓電材料，這些材料使微驅動結構能夠在各種環境中執行豐富的功能。 通常，在這些智慧型材料中引入特定的各向異性特徵，例如液晶彈性體的特殊域程式設計或特定的分子空間取向，可以實現特定的運動模式或增強驅動力。 然而，這些材料在微公尺和奈米尺度上的精確程式設計和處理仍然是乙個挑戰。 此外，一旦對微型執行器進行程式設計，它們的運動模式就會固定，從而限制了它們的多功能性和適應性。 近日，德國馬克斯·蒲朗克智慧型系統研究所的Metin Sitti教授和Mingchao Zhang博士等研究人員受到動物毛髮勃起過程中雞皮疙瘩現象的啟發，報道了一種基於光刺激響應的三維感測器。 一種新型網路化液晶彈性體（LCE）人工驅動方法（圖1）。 這種人造**可以在飛秒雷射的精確刺激下產生微公尺級的人造雞皮疙瘩，進而可以驅動其上的精細結構，例如人造頭髮，以實現高度自由的運動控制。 通過對雷射器進行精確程式設計，研究人員探索了這種驅動方法在微觀力學領域的各種應用，包括微鏡角度的精確控制和毛細管元件結構的定點恢復，以實現新的資訊儲存方法。 以及基於微觀結構之間相互作用力的可控開關。 該研究發表在最新一期的《自然材料》雜誌上，題為“人工雞皮疙瘩驅動的微致動”。
一種新的微型執行器，靈感來自動物毛髮勃起過程中的雞皮疙瘩現象。
雞皮疙瘩是由毛囊中的小肌肉（豎毛突）收縮引起的。 當這些肌肉收縮時，表面會出現小腫塊，形成所謂的雞皮疙瘩，在此期間，毛髮（毛髮）豎立起來（圖1a）。 動物起雞皮疙瘩是一種自然的生理反應，主要原因包括體溫調節、情緒反應等。 在寒冷的環境中，雞皮疙瘩會導致毛髮豎立，在上層形成一層空氣。 由於空氣的導熱係數低於頭髮本身的導熱係數，因此很難從自身傳導熱量以保持溫暖。 此外，動物在感到恐懼或興奮時會起雞皮疙瘩。 豎起的皮毛可以使動物看起來更大、更具威脅性，從而嚇跑潛在的敵人，例如受驚的貓。 對於人類來說，雞皮疙瘩是進化的遺物。 在早期，人類和動物的體毛較多，雞皮疙瘩起到了保暖和恐嚇的作用。 儘管現代人已經失去了體毛，但這種反應仍然存在。 例如，人類會經歷強烈的寒冷或強烈的情緒體驗，包括恐慌、狂喜和情緒化。 受到雞皮疙瘩自然現象的啟發，研究人員提出了一種由雙光子3D列印精細結構（如人造頭髮）和LCE人工**組成的顯微作業系統。 他們直接在LCE人工**上列印市售的光刻膠（IP-S）來製造人造毛髮（圖1），並將它們與飛秒雷射程式設計（例如，雷射強度、掃瞄速度、路徑等）相結合，以實現這些具有高度運動控制自由度的微妙結構。 雷射產生的區域性加熱觸發LCE表皮的區域性垂直膨脹（點從有序向列相變為無序分子鏈取向），導致雞皮疙瘩和微觀結構的精確操縱。
然而，由於難以將產生的熱量精確地集中在 LCE** 上的目標點，因此對這種區域性驅動器的精確控制具有挑戰性。 LCE人工**有序排列的分子鏈（導向）的高導熱性使得熱量難以集中在特定位置，導致形成更寬的凸起，進而觸發其他微觀結構的無意驅動（圖1F）。 為了克服這一挑戰，通過設計和優化LCE網路元件，研究人員成功地實現了尖銳和區域性的雞皮疙瘩形態，並準確地驅動了目標微觀結構（圖1G）。
LCE人工**產生區域性雞皮疙瘩
LCE人工**的製備涉及經典的兩步巰基-麥可化學反應過程。 研究人員在LCE雙網路中摻雜了移動液晶小分子（4-氰基-4）'-Pentylbiphen，5cb），最終形成耦合的三網路結構。液晶小分子的加入降低了LCE人工**的驅動溫度，並顯著限制了人工雞皮疙瘩的空間分布範圍（實現了高度的定位）。 這種高度區域性化的人造雞皮疙瘩的產生歸因於活性液晶小分子，這導致LCE網路在各個方向上的熱導率顯著降低（圖2）。 這些小分子在加熱時很容易重新排列，從而阻礙熱擴散。
基於人工雞皮疙瘩的微尺度驅動系統應用探索.
基於這種人工雞皮疙瘩驅動的微尺度操縱系統，研究人員正在探索微觀力學領域的各種潛在應用。 其中，他們製造了一種角度可調的微反射器，通過調整雷射刺激引起的人工雞皮疙瘩的鏡子傾斜角度來精確控制光反射的角度（圖3A）。 此外，微驅動系統可用於恢復由毛細管力引起的自組裝微觀結構。 毛細管力誘導的自組裝是MEMS系統中的常見現象，通常會導致製造的微奈米結構變形、變形甚至破壞，尤其是那些具有大縱橫比的結構（圖3E）。 一旦這些微奈米結構在毛細管作用下粘合在一起，由於操縱小尺寸結構的固有挑戰，有效回收它們變得極其困難。 該微作業系統為這些自組裝微結構的靶向回收提供了解決方案。 通過使用雷射在LCE人工**上產生人造雞皮疙瘩，它可以對這些元件的結構產生干擾。 當這些擾動超過裝配結構之間的結合力時，可以釋放這些裝配結構，實現原設計結構的恢復。
基於人工雞皮疙瘩的微尺度驅動系統應用探索.
為了證明微型驅動器的有效性，研究人員使用蘑菇形微鏡作為基本組裝單元。 當自由和直立時，這些鏡子會反射入射的光線，使它們看起來明亮。 然而，當這些微鏡自組裝時，它們的傾斜表面會向其他方向反射入射光，因此它們在顯微鏡下顯得暗淡（圖3i）。 通過掃瞄LCE表面的雷射，由此產生的雞皮疙瘩擾動釋放了這些組裝的結構。 雷射處理後，組裝的結構從暗狀態（圖3l和3m）變為淺狀態（圖3n）。
基於這種在低光微結構畫素之間的可控切換，研究人員證明了這種微操作方法是一種新的資料儲存方式（圖4）。 在有選擇地寫入資訊之前，首先需要實現双自組裝結構的大面積均勻陣列。 在這些畫素的雙組裝結構中，研究人員證明他們可以使用可程式設計雷射器在區域性釋放這些畫素。 由於人工雞皮疙瘩可以高度定位在LCE人工**上，因此只能開啟感興趣的畫素，而不會干擾周圍的組裝畫素（圖4G）。 通過對各種雷射引數進行程式設計，研究人員可以將資訊編碼到這些雙組裝畫素中，包括書寫複雜的圖案，如數字、字母和二維碼。 該方法不僅展示了人工雞皮疙瘩驅動系統的高度區域性化和精確控制能力，而且為微尺度資料儲存開闢了新的可能性。
可控毛細管裝配結構，實現新型資訊儲存應用示範。
總結
傳統的微尺度驅動系統通常通過智慧型材料的微納製造直接製造，由此產生的微致動器在外部控制下直接執行特定的運動。 該方法在微尺度製備中存在諸多挑戰：首先，許多智慧型材料不再適用於常見的微納加工技術（如UV掩膜**、雙光子3D列印等）; 其次，一旦微尺度驅動器的結構在製造後被程式設計，其運動模式就會固定下來，從而限制了它在各種場景中的應用。 本文報道的人工雞皮疙瘩間接作用於所製備的被動微觀結構，以實現這些微觀結構的特定運動。 常見的微納加工技術可用於直接在商用光刻膠上加工各種複雜的微觀結構，因此該方法具有廣泛的適用性。 簡而言之，受動物雞皮疙瘩現象的啟發，本研究成功開發了一種基於光刺激的微型致動器，可以精確控制精密結構的運動。 這不僅提供了一種新的顯微操作方法，也為微觀力學、生物醫學裝置和資訊儲存的發展帶來了新的視角和可能性。
*通訊作者為德國馬克斯·蒲朗克智慧型系統研究所的Metin Sitti教授（現任高知大學校長，2024年新當選美國工程院院士）。 第一作者是Mingchao Zhang博士。 合著者包括 Aniket Pal 博士、博士生 Xianglong Lu 和 Yingdan Wu 博士。 該研究由馬克斯·蒲朗克研究所、洪堡學會和歐洲研究委員會資助。 作者感謝Hamed Shahs**an教授、韓杰博士、鄭志強博士、王凡、傑姆·巴爾達·達曼博士、任浩順博士、Ugur Bozuyuk博士、Gaur** Gardi博士和Nima for Mahkam對本研究的協助。