想象一下，如果我们能够在微观世界中准确地执行任务，成为这个微小世界的建筑师，那将是多么令人兴奋！这就是微型执行器赋予我们的能力：能够精确控制精细结构的运动，推动微机电系统（MEMS）在微型机器人、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结构，科学家们采用了各种非接触控制方法，包括磁控制、温度控制、光控制和声音控制。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，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，例如特殊的磁畴编程或液晶弹性体的特定分子空间取向，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加工仍然是一个挑战。此外，一旦微执行器被编程，它们的运动模式就是固定的，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Metin Sitti教授和张明超博士等研究人员受到动物毛发竖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）人造皮肤驱动方法（图1）。这种人造皮肤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，进而驱动其上的精细结构（如人造毛发），实现高自由度的运动控制。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机械领域的各种应用，包括精确控制微镜的角度以及定点恢复毛细管组装结构以实现新的信息存储方法。以及基于微结构之间相互作用力的可控开关。该研究发表在最新一期《自然材料》杂志上，题为“Artificial-goosebump-driven microactuation”的论文。
受动物毛发竖起过程中鸡皮疙瘩现象启发而设计的新型微执行器
鸡皮疙瘩是由皮肤中紧贴毛囊的小肌肉（立毛肌）收缩引起的。当这些肌肉收缩时，皮肤表面会出现小肿块，形成所谓的鸡皮疙瘩，期间毛发（毛发）竖起（图1a）。动物产生鸡皮疙瘩是一种自然的生理反应，主要原因包括温度调节、情绪反应等。在寒冷的环境下，鸡皮疙瘩的产生导致毛发竖立，在皮肤上层形成一层空气。由于空气的导热系数比头发本身的导热系数低，因此很难将自身的热量传导出去，从而达到保暖的目的。此外，动物在感到恐惧或兴奋时会起鸡皮疙瘩。竖起的毛发可以让动物看起来更大、更具威胁性，从而吓跑潜在的敌人，比如受惊的猫会爆炸。对于人类来说，鸡皮疙瘩是进化的遗迹。早期人类和动物体毛较多，鸡皮疙瘩的产生起到保暖和恐吓的作用。尽管现代人类已经失去体毛，但这种反应仍然保留。例如，人类会感受到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（例如人造头发）和LCE人造皮肤组成的微操纵系统。他们直接在LCE人造皮肤上印刷市售的光刻胶（IP-S）来制作人造毛发（图1），并结合飞秒激光编程（如激光强度、扫描速度、路径等）来实现这些微妙的结构运动控制自由度高。激光产生的局部加热触发LCE表皮的局部垂直膨胀（该点从有序的向列相转变为无序排列的分子链取向），从而形成人造鸡皮疙瘩，实现对微小结构的精确操控。
然而，由于难以将产生的热量精确地集中在 LCE 皮肤上的目标点，因此这种局部驱动的精确控制面临着挑战。 LCE人造皮肤有序的分子链排列（导向器）具有高导热性，这使得热量难以集中在特定位置，导致形成更广泛的凸起，进而引发其他微结构的无意驱动（图1f）。为了克服这一挑战，通过设计和优化 LCE 网络组件，研究人员成功实现了尖锐且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人造皮肤产生局部鸡皮疙瘩
LCE人造皮肤的制备涉及经典的两步硫醇-迈克尔化学反应过程。研究人员在LCE双网络中掺杂可移动的液晶小分子（4-cyano-4'-pentylbiphen，5CB），最终形成耦合的三网络结构。液晶小分子的添加降低了LCE人造皮肤的驱动温度，并显着限制了人造鸡皮疙瘩的空间分布范围（实现了高度的局部化）。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容易重新排列，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，研究人员正在探索其在微机械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，通过激光刺激引起的人造鸡皮疙瘩来调整镜子的倾斜角度，从而精确控制光反射角度（图3a）。此外，该微驱动系统还可用于恢复由毛细管力引起的自组装微结构。毛细管力诱导的自组装是MEMS系统中的常见现象，通常会导致制备的微纳米结构（尤其是大纵横比的结构）变形、扭曲甚至破坏（图3e）。一旦这些微纳米结构在毛细管作用下粘在一起，由于操纵小尺寸结构的固有挑战，有效地恢复它们就变得极其困难。该显微操作系统提供了一种有针对性地恢复这些自组装微结构的解决方案。通过使用激光在 LCE 人造皮肤上制造人造鸡皮疙瘩，它可以对这些组装的结构引入干扰。当这些扰动超过组装结构之间的束缚力时，可以释放这些组装结构以实现原始设计结构的恢复。
基于人工鸡皮疙瘩的微尺度驱动系统应用探索
为了证明微驱动的有效性，研究人员使用了蘑菇形微镜作为基本组装单元。当自由且直立时，这些镜子会将入射光反射回来，使它们具有明亮的外观。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）。通过在 LCE 表面上扫描激光，产生的鸡皮疙瘩扰动会释放这些组装的结构。经过激光处理后，组装的结构从暗状态（图3l和3m）变为亮状态（图3n）。
基于这种暗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颖的数据存储手段（图4）。在选择性写入信息之前，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在本地释放这些像素。由于人造鸡皮疙瘩可以高度定位在 LCE 人造皮肤上，因此只能打开感兴趣的像素，而不会干扰周围组装的像素（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，包括书写数字、字母和 QR 码等复杂图案。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。
可控回收毛细管组装结构实现新型信息存储的应用演示
概括
传统的微尺度驱动系统通常是直接通过智能材料的微纳加工制备而成，所得的微驱动器在外部控制下直接执行特定的运动。这种方法在微尺度加工制备方面存在诸多挑战：首先，很多智能材料制备后不再适合常见的微纳加工技术（如UV掩膜曝光、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，其运动模式是固定的，限制了其在多种场景中的应用。本文报道的人造鸡皮疙瘩间接作用于制备的被动微结构，以实现这些微结构的特定运动。利用常见的微纳加工技术可以直接在商用光刻胶上加工各种复杂的微结构，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，这项研究成功开发了一种基于光刺激的微型致动器，可以精确控制微妙结构的运动。这不仅提供了一种新的微操纵方法，也为微机械、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。
论文通讯作者为德国马克斯·普朗克智能系统研究所Metin Sitti教授（现任科奇大学校长、2024年新当选美国工程院院士）。第一作者为张明超博士。共同作者包括 Aniket Pal 博士、博士生吕祥龙和吴英丹博士。这项研究由马克斯·普朗克研究所、洪堡基金会和欧洲研究委员会资助。本文作者谨向 Hamed Shahsavan 教授、韩杰博士、郑志强博士、王帆、Cem Balda Dayan 博士、任浩顺博士、Ugur Bozuyuk 博士、Gaurav Gardi 博士和 Nima 表示感谢感谢 Mahkam 对这项研究的帮助。
