植物擁有非常豐富和復雜的脈管系統(tǒng)，通過它們的組織輸送水分和養(yǎng)分以維持正常的新陳代謝。例如，在植物進行光合作用的主要器官——葉子中，葉脈可以將光合作用產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)輸送到植物體的其他部位，同時還可以將水分輸送到整個小葉進行蒸騰。這種脈管系統(tǒng)啟發(fā)我們開發(fā)具有嵌入式流體通道的人工系統(tǒng)，例如仿生微流控器件。

此外，植物已經(jīng)進化出對環(huán)境變化做出反應(yīng)的能力，即使在不斷變化的自然環(huán)境中，它們的脈管系統(tǒng)也能更健康地發(fā)揮作用。其中，植物的感性運動是使它們的形狀適應(yīng)光線、溫度和濕度等環(huán)境變化的最快方式。然而，在合成微流控系統(tǒng)中很少提及這種與環(huán)境相互作用的類植物能力。

賦予微流控系統(tǒng)這些刺激-響應(yīng)的形狀變化功能，可以為具有動態(tài)仿生設(shè)計或環(huán)境適應(yīng)性的復雜、多功能或智能流體系統(tǒng)開發(fā)鋪平道路。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，香港大學機械工程系岑浩璋團隊在植物脈管系統(tǒng)的啟發(fā)下，進行了針對刺激-響應(yīng)變形微流控系統(tǒng)的研究，并將研究結(jié)果發(fā)表在SCIENCE ADVANCES期刊上。

目前，微流控系統(tǒng)主要依靠鏈接或板載電子器件和計算機編程來響應(yīng)環(huán)境。這可能導致系統(tǒng)受限、復雜且笨重。相比之下，植物小葉薄、輕且靈活，但是卻承載了可作為流體輸送微通道的葉脈和刺激-響應(yīng)執(zhí)行器的葉枕。此外，隨著感性運動，小葉傾向于折疊或展開成具有特定用途的規(guī)則幾何形狀。

限制刺激-響應(yīng)變形微流控系統(tǒng)發(fā)展的兩個主要方面如下：首先，用于制造微流控器件的主流材料是不具有環(huán)境響應(yīng)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，微流控器件的設(shè)計通?；诹黧w流動，而不是微流控器件的整體形狀而設(shè)計成嵌入式通道形狀。因此，大多數(shù)常見的微流控器件沒有表現(xiàn)出對環(huán)境的響應(yīng)性和目標形狀的變化，更不用說類似于樹葉中的感性運動了。

為了解決上述問題，獲得感性運動的能力，微流控器件必須在器件級別表現(xiàn)出刺激響應(yīng)能力，并且器件的整體形狀必須是可編程的。這些微流控器件將實現(xiàn)以前不可行的應(yīng)用：例如，由此產(chǎn)生的環(huán)境適應(yīng)性光微反應(yīng)器，可以根據(jù)天氣變化自我調(diào)節(jié)光合轉(zhuǎn)化率。而要實現(xiàn)預設(shè)的整體三維（3D）變形，必須專門設(shè)計器件的尺寸、嵌入器件的響應(yīng)材料的位置以及響應(yīng)的目標操作。

結(jié)合古老的折紙藝術(shù)，所需的3D結(jié)構(gòu)不僅可以通過2D處理技術(shù)從前體構(gòu)建，還可以通過折疊和展開，在完全展開的2D平面和緊湊的3D形式之間相互轉(zhuǎn)換。因此，通過將響應(yīng)材料融合到有折紙幾何形狀的微流控器件設(shè)計中，它可以基于預設(shè)結(jié)構(gòu)，通過刺激-觸發(fā)響應(yīng)在2D和3D狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

在此基礎(chǔ)上，岑浩璋團隊通過將刺激-響應(yīng)材料與薄且可折疊的微流控芯片集成，開發(fā)了一種可變形的微流控芯片，并將這種方法命名為“變形折紙微流控系統(tǒng)（TransfOrigami microfluidics, TOM）”。整個器件可以通過沿著預設(shè)的折紙折疊變形來響應(yīng)溫度、濕度和光輻照度的變化。

由植物啟發(fā)的變形折紙微流控系統(tǒng)

當外部條件有利于光反應(yīng)時，反饋會導致光合轉(zhuǎn)化增強，反之亦然。作為同類研究中的第一個刺激-響應(yīng)變形微系統(tǒng)，TOM將激發(fā)其在需要環(huán)境適應(yīng)的能源、機器人或生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用，例如人工血管網(wǎng)絡(luò)或具有自適應(yīng)節(jié)奏運動的柔性電子器件。

總體來說，岑浩璋團隊針對TOM的研究具有一定的突破性，同時還存在亟待解決的問題。首先，變形微流控器件的重新配置和調(diào)節(jié)可以從2D轉(zhuǎn)換為3D或在不同的3D結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)換。不同3D結(jié)構(gòu)之間的動態(tài)切換增加了時間維度，使得器件成為事實上的4D結(jié)構(gòu)。在4D微流控器件內(nèi)部，流體行為的調(diào)節(jié)是通過重構(gòu)具有某些特性的微通道來進行的。例如，方向、混合效率和流速。當流體與外部環(huán)境相互作用時，例如在光合作用反應(yīng)期間，這種流體調(diào)節(jié)會進一步放大相互作用的效果。這一系列重新配置的觸發(fā)因素是環(huán)境中刺激的變化。

此外，通過原位摻雜和表面改性制造的柔性器件是一體化系統(tǒng)。這不僅避免了在組裝過程中可能出現(xiàn)的錯誤和匹配問題，而且避免了在使用過程中由于不同組件的界面不穩(wěn)定而導致的潛在脫離，最終增加了整個系統(tǒng)的魯棒性。

然而，目前4D打印微流控這一類似于可變形微流控的概念雖已被提出，但它依賴于具有刺激-響應(yīng)材料的3D打印技術(shù)，導致有兩個方面的問題阻礙了其發(fā)展：（1）大多數(shù)使用傳統(tǒng)軟光刻技術(shù)開發(fā)的響應(yīng)材料缺乏一套成熟且兼容的微流控微加工技術(shù)；（2）4D打印仍處于起步階段，尚未具備與軟光刻技術(shù)在分辨率上兼容的變形微管。

此外，當前TOM的響應(yīng)速度受到水凝膠活性層和作為被動層的厚PDMS微流控層的緩慢膨脹或收縮速率的阻礙。這些可以通過開發(fā)先進的制造技術(shù)并將高性能響應(yīng)組件整合到材料中來改進。因此，TOM的進一步優(yōu)化將通過：（1）引入krigami結(jié)構(gòu)等替代方法來設(shè)計3D結(jié)構(gòu)；（2）選擇具有更高光熱效率和更快響應(yīng)的執(zhí)行器，例如將金納米棒與液晶彈性體耦合；（3）在TOM中制作更厚的有源層和更薄的無源層。

論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo1719

審核編輯 ：李倩