Adv. Mater：新型循環立體光固化3D打印技術助力微型磁性軟體機器人(2)
時間：2022-02-19 21:07 來源：YiZ 微納分子診斷實驗室 作者：admin 閱讀：次
與上述介紹的機器人不同，微型磁性軟體水母機器人（圖4i）充分利用了鍶鐵氧體可被永久磁化的特性。打印完成后，水母機器人被定制的夾具固定住，然后放入1.1T的均勻磁場中在特定的方向上磁化。水母機器人是被一個由9個電磁鐵所組成的均勻磁場所控制的，20 mT的垂直向上磁場會使水母機器人的觸手向上運動，-8mT的垂直向下磁場會使觸手向下運動。當這兩種磁場以5Hz的頻率交替出現時，中空的水母機器人所受到的浮力和觸手運動產生的推力共同作用使得水母機器人以4.8mm/s的速度向上游動。本文同時還展示了另外兩個可在水中以剛性運動前進的微型機器人：魚形機器人與螺旋機器人（圖5）。魚形機器人也是由上下震蕩的磁場所驅動，它的整個身體在水中上下拍打類似于魚類的游動，從而產生推力。螺旋機器人則由一個垂直于前進方向的旋轉磁場使其不斷旋轉，用來將液體推向后方，從而推動其向前運動。
圖4：非栓系磁性微型機器人：a）毛毛蟲機器人
；b）木馬機器人；c）毛毛蟲機器人的運動原理；d）毛毛蟲機器人推動一個液滴；e) 毛毛蟲機器人將一個液滴射向另一個液滴，使之融合；f)
木馬機器人同時推動兩個液滴；g)毛毛蟲機器人的步幅；h)木馬機器人的步幅；i）水母機器人以及它的磁化方向；j) 水母機器人在水里向上游動。
圖5：水下磁性微型機器人：a）螺旋機器人的磁化方向以及其沿著方形路徑的移動；b) 小魚機器人的磁化方向以及其沿著Z路徑的移動。
磁性微型軟體機器人對液滴的靈活操作能力非常適用于磁性數字微流體平臺，傳統的磁性數字微流體平臺依賴于在液滴中加入磁性顆粒，液滴只能在二維平面內運動，而微型機器人可以輕易地讓液滴在三維空間內運動，有利于促進磁性數字微流體平臺的發展。作為這種潛力的有力證明，本文的作者設計并制造了磁性軟體機器人自動化控制平臺并且成功實現對碳青霉烯類抗生素耐藥性的檢測，檢測過程全程自動化，無需人工干預，最大程度上保證了操作人員的安全與減少樣品的污染。該平臺主要由一個工具箱，一個超疏水反應臺和一個機械臂組成（圖6a）。工具箱包含生物檢測所需要的基本工具，反應臺是液滴進行各種操作的平臺，機械臂可以自動選擇每個步驟需要的工具并進行試劑的分發、樣品的添加以及液滴的移動與融合等功能。機械臂首先控制機械爪從微流體液滴生成器的出口處抓取并將反應緩沖液滴和樣品緩沖液滴放置在反應臺上的指定位置（圖6bi~iv），右側的反應緩沖液滴包含亞胺培南（一種碳青霉烯類抗生素藥物），左側的則不包含作為控制對照組；機械臂接著選擇樣品添加工具將細菌從培養基中添加入兩個樣品緩沖液滴中并且上下震動使細菌充分融入液滴中（圖6bv~vi）；然后機械臂選擇機器人放置工具將毛毛蟲機器人放在反應臺上指定位置（圖6bvii~ix），機械臂再次選擇機器人驅動工具來控制毛毛蟲機器人推動兩個液滴進行融合（圖6bx），待液滴融合之后，機器人驅動工具還可以用來將使用過的機器人丟棄到指定位置（圖6bxi~xii）；剩下的兩個液滴則由另一個毛毛蟲機器人在相同的操作下融合；融合的過程中，機械臂會選擇混合工具在液滴中進行攪拌使之充分融合（圖6bxiii）；最后機械臂將用一個蓋子罩住液滴減少液滴的蒸發，液滴將充分反應1個小時（圖6bxiv~xvi）。如果該細菌是有耐藥性，則它將水解亞胺培南，反應緩沖液滴從紅色變為黃色。與之相反，反應緩沖液滴保持紅色則表明該細菌沒有耐藥性。本文一共測試了8種細菌，反應結果被映射到CIE 1931色彩空間（圖6c）作為定量分析，其非常清晰地表明與目前成熟的方法所獲得的結果相一致（圖6d）。
圖6：可進行體外診斷的磁性微型軟體機器人自動化控制平臺：a）自動化控制平臺示意圖；b）在平臺上對碳青霉烯類抗生素耐藥性進行檢測的操作程序：i-ii：放置反應緩沖液滴；iii-iv：放置樣品緩沖液滴；v：從培養基上提取細菌；vi：將細菌放入樣品緩沖液的液滴中；vii-ix：放置毛毛蟲機器人于反應平臺上的適當位置；x：毛毛蟲機器人在磁場的驅動下推動液滴進行融合；xi-xii：使用過的毛毛蟲機器人被丟棄在指定位置；xiii：在液滴內部進行攪拌，保證液滴的充分融合；xiv-xv:
蓋子罩住液滴；xvi：充分反應1小時后；c）檢測的結果映射到CIE
1931色彩空間，有耐藥性的細菌在+區域，沒有耐藥性的細菌在-區域；d）8種細菌的檢測結果與傳統方法得到的結果對比。
原文鏈接：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
(責任編輯：admin)
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