中國科大實(shí)現(xiàn)一種高性能自驅(qū)動(dòng)水凝膠微馬達(dá)

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室吳東教授、褚家如教授課題組，基于數(shù)字微鏡陣列(DMD)系統(tǒng)，利用激光光場調(diào)制技術(shù)，加工出一種新穎的高性能自驅(qū)動(dòng)水凝膠微馬達(dá)，并探究其在動(dòng)能傳輸、微型發(fā)電機(jī)等方面的應(yīng)用前景，為微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造開拓了新的方向。該研究成果近期以“High-performance Marangoni hydrogel rotors with asymmetric porosity and drag reduction profile”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。
 

　　自驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象在自然界中無處不在，范圍從納米尺度(驅(qū)動(dòng)蛋白)到厘米尺度(節(jié)肢動(dòng)物)。例如，當(dāng)一種名叫突眼隱翅蟲的甲蟲被風(fēng)吹落到水面上時(shí)，它會(huì)在其尾部分泌表面活性劑，將自己快速推回岸邊(圖1a)。這種自驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象是由表面張力梯度引起的，被稱為馬蘭戈尼效應(yīng)。受此啟發(fā)，研究人員基于DMD的激光光場調(diào)制技術(shù)，利用水凝膠(PNIPAm)和表面活性劑(HFIP)，設(shè)計(jì)并加工出具有非對稱孔隙微結(jié)構(gòu)和三次樣條曲線外形的自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)(圖 1c和1d)。該自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)也能如同突眼隱翅蟲一般，在自身周圍緩慢分泌表面活性劑，調(diào)節(jié)周圍表面張力分布，從而驅(qū)動(dòng)自身高速轉(zhuǎn)動(dòng)(圖1b和1e)。得益于非對稱孔隙微結(jié)構(gòu)控制表面活性劑的釋放速率從而增強(qiáng)表面張力梯度，以及三次樣條曲線外形設(shè)計(jì)用于減阻，該研究中的自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)相比于現(xiàn)有報(bào)道中類似體系的工作在性能上得到極大的提升。以轉(zhuǎn)動(dòng)輸出和燃料效率這兩個(gè)歸一化參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，該自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)在轉(zhuǎn)動(dòng)輸出上提高了15倍，在燃料效率上提高了34%。
 

　　圖1.微馬達(dá)的自驅(qū)動(dòng)原理。(a-b)受到突眼隱翅蟲啟發(fā)的自驅(qū)動(dòng)水凝膠微馬達(dá)；(c-d)微馬達(dá)的微結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計(jì)；(e)微馬達(dá)的自驅(qū)動(dòng)原理。

 

　　之后，研究人員進(jìn)一步探索了自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)的應(yīng)用前景。如圖2a所示，自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)可以通過齒輪嚙合，向外輸出不同的轉(zhuǎn)速和扭矩，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)能傳輸?shù)男Ч＿M(jìn)一步地，研究人員將自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)應(yīng)用于微型發(fā)電機(jī)中(圖2b-c)，通過自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)帶動(dòng)磁鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，在通過二極管整流和電容儲能升壓之后，產(chǎn)生的電能可以點(diǎn)亮LED。
 

　　圖2.微馬達(dá)用于動(dòng)能傳輸和發(fā)電。(a)自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)用于減速器和增速器；(b-c)自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)用于微型發(fā)電機(jī)。

 

　　為了更好的控制自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)行為，研究人員在微馬達(dá)中摻雜納米鐵粉。通過不同的磁場，實(shí)現(xiàn)了對微馬達(dá)自驅(qū)動(dòng)行為的精準(zhǔn)控制。例如，通過條形磁鐵可以實(shí)現(xiàn)微馬達(dá)的啟停控制(圖3a)；通過圓柱形磁鐵可以實(shí)現(xiàn)微馬達(dá)的自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)切換控制(圖3b)。此外，這種磁控行為還可以作用于多個(gè)微馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)微馬達(dá)沿著同一/不同半徑的軌道進(jìn)行公轉(zhuǎn)(圖3c-d)。
 

　　圖3.自驅(qū)動(dòng)磁性微馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制及用于水凈化。(a)條形磁鐵可以實(shí)現(xiàn)微馬達(dá)的啟停控制；(b)圓柱形磁鐵可以實(shí)現(xiàn)微馬達(dá)的自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)切換控制；(c-d)多個(gè)微馬達(dá)的群體控制。

 

　　微納米工程實(shí)驗(yàn)室的吳昊博士和陳羿宇博士為該工作的共同第一作者，通訊作者為吳東教授，合作者包括工程科學(xué)學(xué)院吳恒安教授團(tuán)隊(duì)和李二強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)。該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省科技重大專項(xiàng)等基金的支持。(科研部)