微流體操控系統(tǒng)可以感知液體并控制其流動。然而，傳統(tǒng)的傳感器和電機很難適應空間有限的微流體裝置；此外，由于流體的快速流動，導致快速傳感和制動存在一定困難，因此，亟需開發(fā)一種能夠提供實時傳感和快速驅動的微型微流體操控系統(tǒng)。

據麥姆斯咨詢報道，為了實現(xiàn)上述目標，南開大學劉遵峰教授團隊利用螺旋非線性應力的中空纖維，開發(fā)了快速扭轉和拉伸驅動器，可以感知流體溫度并將流體分類到所需的容器中。在對流體流量的響應方面，所設計的驅動器具有高驅動行程（87.5%）、快速響應速度（0.88s）和高溫度靈敏度（0.5K溫度變化時旋轉20°），其工作能力和功率密度分別是空氣驅動固體纖維的1.5倍和90倍。相關工作以“Microfluidic manipulation by spiral hollow-fibre actuators”為題發(fā)表在Nature Communications上。

具體而言，中空纖維驅動器采用內部（x）和外部（y）直徑不同的低密度聚乙烯中空纖維（PEHFs）制備而得，并以PEHFx-y形式命名。由于制備過程中形成的緊結分子形態(tài)，PEHF具有各向異性的熱膨脹行為。此外，PEHF具有較高的強度和柔韌性，斷裂強度為39.4 MPa，斷裂應變?yōu)?88.4%。

圖1 用于微流體操控的中空纖維驅動器

此外，研究發(fā)現(xiàn)，流動的熱水可引起中空纖維驅動器的扭轉旋轉，表明通過感應水溫對微流體進行扭轉操控的可能性。具體地，研究人員制備得到PEHF580-990驅動器的189°/cm旋轉角度對應歸一化的旋轉角度為18.9°，對應插入捻度變化為13.1%，這也可與以往研究中報道的扭轉驅動器相媲美。

圖2 扭轉PEHF580-990驅動器的驅動性能

而拉伸中空纖維驅動器根據卷曲和扭轉方向表現(xiàn)出不同的手性——相同的卷曲和扭轉方向產生的是同手性線圈，線圈體積膨脹時會收縮；相反的卷曲和扭轉方向產生的是異手性線圈，線圈體積膨脹時會膨脹。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，當輸送流體的溫度發(fā)生變化時，線圈中空纖維驅動器的快速響應和大驅動行程允許精確的傳感和微流體操作，可以實時顯示液體的溫度，并為不同溫度的液體分類到所需容器提供可能性。

圖3 流體驅動的同手性中空纖維驅動器的驅動性能

總體而言，扭轉和拉伸中空纖維驅動器可以用于微流體操控，并根據液體溫度對輸送液體進行精確的旋轉和平移。其中，扭轉型中空纖維驅動器可以在液體在不同溫度下流動時進行不同角度的旋轉。同手性拉伸中空纖維驅動器在輸送不同溫度的液體時可以收縮不同長度，可收縮驅動器可以通過收縮不同長度輸送和分類液體。

圖4 PEHF580-990驅動器的微流體傳感和操作

此外，研究人員還演示了中空纖維驅動器作為夾子捕捉對象，實現(xiàn)提升2g負載和釋放負載，這為中空纖維驅動器在軟機器人和工業(yè)制造中作為響應速度快、行程大的人造肌肉的應用提供了可能性。

總之，該項研究為高通量生物傳感和藥物合成提供了一個新的平臺。流體驅動驅動器的快速響應和高功率密度保證了其在外骨骼和人工肌肉方面的應用，例如：開發(fā)強大的軟機器人和自動化生產線。此外，獨特的設計為生物標記物傳感和藥物控制釋放、3D打印機、變形飛機、智能建筑和其他光學或磁性應用等設備的開發(fā)提供了新的機遇。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29088-9

審核編輯 ：李倩