想象一下，如果我们能准确地在微观世界中执行任务，成为这个小世界的建筑师，那将是多么令人兴奋！ 这就是微执行器使我们能够精确控制精细结构运动的能力，推动微机电系统（MEMS）在微机器人、生物医学设备、集成电子等领域的应用和发展。
为了精确控制这些微小的结构，科学家们采用了各种非接触式控制方法，包括磁、温度、光和声音控制。 这些控制技术通常依赖于一系列复杂的智能材料，例如刺激响应水凝胶、液晶弹性体和压电材料，这些材料使微驱动结构能够在各种环境中执行丰富的功能。 通常，在这些智能材料中引入特定的各向异性特征，例如液晶弹性体的特殊域编程或特定的分子空间取向，可以实现特定的运动模式或增强驱动力。 然而，这些材料在微米和纳米尺度上的精确编程和处理仍然是一个挑战。 此外，一旦对微型执行器进行编程，它们的运动模式就会固定，从而限制了它们的多功能性和适应性。 近日，德国马克斯·普朗克智能系统研究所的Metin Sitti教授和Mingchao Zhang博士等研究人员受到动物毛发勃起过程中鸡皮疙瘩现象的启发，报道了一种基于光刺激响应的三维传感器。 一种新型网络化液晶弹性体（LCE）人工驱动方法（图1）。 这种人造**可以在飞秒激光的精确刺激下产生微米级的人造鸡皮疙瘩，进而可以驱动其上的精细结构，例如人造头发，以实现高度自由的运动控制。 通过对激光器进行精确编程，研究人员探索了这种驱动方法在微观力学领域的各种应用，包括微镜角度的精确控制和毛细管组件结构的定点恢复，以实现新的信息存储方法。 以及基于微观结构之间相互作用力的可控开关。 该研究发表在最新一期的《自然材料》杂志上，题为“人工鸡皮疙瘩驱动的微致动”。
一种新的微型执行器，灵感来自动物毛发勃起过程中的鸡皮疙瘩现象。
鸡皮疙瘩是由毛囊中的小肌肉（竖毛突）收缩引起的。 当这些肌肉收缩时，表面会出现小肿块，形成所谓的鸡皮疙瘩，在此期间，毛发（毛发）竖立起来（图1a）。 动物起鸡皮疙瘩是一种自然的生理反应，主要原因包括体温调节、情绪反应等。 在寒冷的环境中，鸡皮疙瘩会导致毛发竖立，在上层形成一层空气。 由于空气的导热系数低于头发本身的导热系数，因此很难从自身传导热量以保持温暖。 此外，动物在感到恐惧或兴奋时会起鸡皮疙瘩。 竖起的皮毛可以使动物看起来更大、更具威胁性，从而吓跑潜在的敌人，例如受惊的猫。 对于人类来说，鸡皮疙瘩是进化的遗物。 在早期，人类和动物的体毛较多，鸡皮疙瘩起到了保暖和恐吓的作用。 尽管现代人已经失去了体毛，但这种反应仍然存在。 例如，人类会经历强烈的寒冷或强烈的情绪体验，包括恐慌、狂喜和情绪化。 受到鸡皮疙瘩自然现象的启发，研究人员提出了一种由双光子3D打印精细结构（如人造头发）和LCE人工**组成的显微操作系统。 他们直接在LCE人工**上打印市售的光刻胶（IP-S）来制造人造毛发（图1），并将它们与飞秒激光编程（例如，激光强度、扫描速度、路径等）相结合，以实现这些具有高度运动控制自由度的微妙结构。 激光产生的局部加热触发LCE表皮的局部垂直膨胀（点从有序向列相变为无序分子链取向），导致鸡皮疙瘩和微观结构的精确操纵。
然而，由于难以将产生的热量精确地集中在 LCE** 上的目标点，因此对这种局部驱动器的精确控制具有挑战性。 LCE人工**有序排列的分子链（导向）的高导热性使得热量难以集中在特定位置，导致形成更宽的凸起，进而触发其他微观结构的无意驱动（图1F）。 为了克服这一挑战，通过设计和优化LCE网络组件，研究人员成功地实现了尖锐和局部的鸡皮疙瘩形态，并准确地驱动了目标微观结构（图1G）。
LCE人工**产生局部鸡皮疙瘩
LCE人工**的制备涉及经典的两步巯基-迈克尔化学反应过程。 研究人员在LCE双网络中掺杂了移动液晶小分子（4-氰基-4）'-Pentylbiphen，5cb），最终形成耦合的三网络结构。液晶小分子的加入降低了LCE人工**的驱动温度，并显著限制了人工鸡皮疙瘩的空间分布范围（实现了高度的定位）。 这种高度局部化的人造鸡皮疙瘩的产生归因于活性液晶小分子，这导致LCE网络在各个方向上的热导率显着降低（图2）。 这些小分子在加热时很容易重新排列，从而阻碍热扩散。
基于人工鸡皮疙瘩的微尺度驱动系统应用探索.
基于这种人工鸡皮疙瘩驱动的微尺度操纵系统，研究人员正在探索微观力学领域的各种潜在应用。 其中，他们制造了一种角度可调的微反射器，通过调整激光刺激引起的人工鸡皮疙瘩的镜子倾斜角度来精确控制光反射的角度（图3A）。 此外，微驱动系统可用于恢复由毛细管力引起的自组装微观结构。 毛细管力诱导的自组装是MEMS系统中的常见现象，通常会导致制造的微纳米结构变形、变形甚至破坏，尤其是那些具有大纵横比的结构（图3E）。 一旦这些微纳米结构在毛细管作用下粘合在一起，由于操纵小尺寸结构的固有挑战，有效回收它们变得极其困难。 该微操作系统为这些自组装微结构的靶向回收提供了解决方案。 通过使用激光在LCE人工**上产生人造鸡皮疙瘩，它可以对这些组件的结构产生干扰。 当这些扰动超过装配结构之间的结合力时，可以释放这些装配结构，实现原设计结构的恢复。
基于人工鸡皮疙瘩的微尺度驱动系统应用探索.
为了证明微型驱动器的有效性，研究人员使用蘑菇形微镜作为基本组装单元。 当自由和直立时，这些镜子会反射入射的光线，使它们看起来明亮。 然而，当这些微镜自组装时，它们的倾斜表面会向其他方向反射入射光，因此它们在显微镜下显得暗淡（图3i）。 通过扫描LCE表面的激光，由此产生的鸡皮疙瘩扰动释放了这些组装的结构。 激光处理后，组装的结构从暗状态（图3l和3m）变为浅状态（图3n）。
基于这种在低光微结构像素之间的可控切换，研究人员证明了这种微操作方法是一种新的数据存储方式（图4）。 在有选择地写入信息之前，首先需要实现双自组装结构的大面积均匀阵列。 在这些像素的双组装结构中，研究人员证明他们可以使用可编程激光器在局部释放这些像素。 由于人工鸡皮疙瘩可以高度定位在LCE人工**上，因此只能打开感兴趣的像素，而不会干扰周围的组装像素（图4G）。 通过对各种激光参数进行编程，研究人员可以将信息编码到这些双组装像素中，包括书写复杂的图案，如数字、字母和二维码。 该方法不仅展示了人工鸡皮疙瘩驱动系统的高度局部化和精确控制能力，而且为微尺度数据存储开辟了新的可能性。
可控毛细管装配结构，实现新型信息存储应用示范。
总结
传统的微尺度驱动系统通常通过智能材料的微纳制造直接制造，由此产生的微致动器在外部控制下直接执行特定的运动。 该方法在微尺度制备中存在诸多挑战：首先，许多智能材料不再适用于常见的微纳加工技术（如UV掩膜**、双光子3D打印等）; 其次，一旦微尺度驱动器的结构在制造后被编程，其运动模式就会固定下来，从而限制了它在各种场景中的应用。 本文报道的人工鸡皮疙瘩间接作用于所制备的被动微观结构，以实现这些微观结构的特定运动。 常见的微纳加工技术可用于直接在商用光刻胶上加工各种复杂的微观结构，因此该方法具有广泛的适用性。 简而言之，受动物鸡皮疙瘩现象的启发，本研究成功开发了一种基于光刺激的微型致动器，可以精确控制精密结构的运动。 这不仅提供了一种新的显微操作方法，也为微观力学、生物医学设备和信息存储的发展带来了新的视角和可能性。
*通讯作者为德国马克斯·普朗克智能系统研究所的Metin Sitti教授（现任高知大学校长，2024年新当选美国工程院院士）。 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。 该研究由马克斯·普朗克研究所、洪堡学会和欧洲研究委员会资助。 作者感谢Hamed Shahs**an教授、韩杰博士、郑志强博士、王凡、杰姆·巴尔达·达曼博士、任浩顺博士、Ugur Bozuyuk博士、Gaur** Gardi博士和Nima for Mahkam对本研究的协助。