针对刺激-响应变形微流控系统的研究

植物拥有非常丰富和复杂的脉管系统，通过它们的组织输送水分和养分以维持正常的新陈代谢。例如，在植物进行光合作用的主要器官——叶子中，叶脉可以将光合作用产生的营养物质输送到植物体的其他部位，同时还可以将水分输送到整个小叶进行蒸腾。这种脉管系统启发我们开发具有嵌入式流体通道的人工系统，例如仿生微流控器件。
此外，植物已经进化出对环境变化做出反应的能力，即使在不断变化的自然环境中，它们的脉管系统也能更健康地发挥作用。其中，植物的感性运动是使它们的形状适应光线、温度和湿度等环境变化的最快方式。然而，在合成微流控系统中很少提及这种与环境相互作用的类植物能力。
赋予微流控系统这些刺激-响应的形状变化功能，可以为具有动态仿生设计或环境适应性的复杂、多功能或智能流体系统开发铺平道路。
据麦姆斯咨询报道，近期，香港大学机械工程系岑浩璋团队在植物脉管系统的启发下，进行了针对刺激-响应变形微流控系统的研究，并将研究结果发表在science advances期刊上。
目前，微流控系统主要依靠链接或板载电子器件和计算机编程来响应环境。这可能导致系统受限、复杂且笨重。相比之下，植物小叶薄、轻且灵活，但是却承载了可作为流体输送微通道的叶脉和刺激-响应执行器的叶枕。此外，随着感性运动，小叶倾向于折叠或展开成具有特定用途的规则几何形状。
限制刺激-响应变形微流控系统发展的两个主要方面如下：首先，用于制造微流控器件的主流材料是不具有环境响应性的惰性材料，例如聚二甲基硅氧烷（pdms）和聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）；其次，微流控器件的设计通常基于流体流动，而不是微流控器件的整体形状而设计成嵌入式通道形状。因此，大多数常见的微流控器件没有表现出对环境的响应性和目标形状的变化，更不用说类似于树叶中的感性运动了。
为了解决上述问题，获得感性运动的能力，微流控器件必须在器件级别表现出刺激响应能力，并且器件的整体形状必须是可编程的。这些微流控器件将实现以前不可行的应用：例如，由此产生的环境适应性光微反应器，可以根据天气变化自我调节光合转化率。而要实现预设的整体三维（3d）变形，必须专门设计器件的尺寸、嵌入器件的响应材料的位置以及响应的目标操作。
结合古老的折纸艺术，所需的3d结构不仅可以通过2d处理技术从前体构建，还可以通过折叠和展开，在完全展开的2d平面和紧凑的3d形式之间相互转换。因此，通过将响应材料融合到有折纸几何形状的微流控器件设计中，它可以基于预设结构，通过刺激-触发响应在2d和3d状态之间转换。
在此基础上，岑浩璋团队通过将刺激-响应材料与薄且可折叠的微流控芯片集成，开发了一种可变形的微流控芯片，并将这种方法命名为“变形折纸微流控系统（transforigami microfluidics, tom）”。整个器件可以通过沿着预设的折纸折叠变形来响应温度、湿度和光辐照度的变化。
由植物启发的变形折纸微流控系统
当外部条件有利于光反应时，反馈会导致光合转化增强，反之亦然。作为同类研究中的第一个刺激-响应变形微系统，tom将激发其在需要环境适应的能源、机器人或生物医学领域的应用，例如人工血管网络或具有自适应节奏运动的柔性电子器件。
总体来说，岑浩璋团队针对tom的研究具有一定的突破性，同时还存在亟待解决的问题。首先，变形微流控器件的重新配置和调节可以从2d转换为3d或在不同的3d结构之间转换。不同3d结构之间的动态切换增加了时间维度，使得器件成为事实上的4d结构。在4d微流控器件内部，流体行为的调节是通过重构具有某些特性的微通道来进行的。例如，方向、混合效率和流速。当流体与外部环境相互作用时，例如在光合作用反应期间，这种流体调节会进一步放大相互作用的效果。这一系列重新配置的触发因素是环境中刺激的变化。
此外，通过原位掺杂和表面改性制造的柔性器件是一体化系统。这不仅避免了在组装过程中可能出现的错误和匹配问题，而且避免了在使用过程中由于不同组件的界面不稳定而导致的潜在脱离，最终增加了整个系统的鲁棒性。
然而，目前4d打印微流控这一类似于可变形微流控的概念虽已被提出，但它依赖于具有刺激-响应材料的3d打印技术，导致有两个方面的问题阻碍了其发展：（1）大多数使用传统软光刻技术开发的响应材料缺乏一套成熟且兼容的微流控微加工技术；（2）4d打印仍处于起步阶段，尚未具备与软光刻技术在分辨率上兼容的变形微管。
此外，当前tom的响应速度受到水凝胶活性层和作为被动层的厚pdms微流控层的缓慢膨胀或收缩速率的阻碍。这些可以通过开发先进的制造技术并将高性能响应组件整合到材料中来改进。因此，tom的进一步优化将通过：（1）引入krigami结构等替代方法来设计3d结构；（2）选择具有更高光热效率和更快响应的执行器，例如将金纳米棒与液晶弹性体耦合；（3）在tom中制作更厚的有源层和更薄的无源层。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo1719