哈佛大学Nature：3D打印机器巧妙使用这个力！

▲第一作者：Cheng Zeng, Maya Winters Faaborg

通讯作者：Vinothan N. Manoharan

通讯单位：美国哈佛大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05234-7

01
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使液体界面变形的结构会受到毛细管力的作用，因此可以利用毛细管力来控制和组装物体。一般而言，这种组装的结构通常是静态的。本研究提出了一种可以动态地调节这些毛细管力的策略，以便以可编程的二维模式移动这些物体。本研究的3D打印设备包含利用排斥毛细管力捕获漂浮物的通道，然后在水浴中垂直移动这些设备。由于通道横截面随高度变化，因此被捕获的物体可以在两个维度上进行控制。因此，该装置和界面构成了一台将垂直运动转换为横向运动的简单机器。本研究设计了平移、旋转和分离多个漂浮物的设备，并通过循环垂直运动对水下的物体进行操作。本研究还将这些初级机器结合在一起制造出厘米级别的复合型设备，即将微米级的细丝编织成规定的拓扑结构。毛细管机器与传统的机械、光学或流体微操作器的不同之处在于：物体与机器的连接是基于弯月面的。因此，即使对象是微观的，通道形状也只需要在毛细管长度(几毫米)的范围内进行调节从而实现对微观物体的控制。这样的机器可以快速而廉价地制造出来。这种方法可以用来操纵微米级的颗粒或编织用于高频电子产品的微线。

02
图文介绍

▲图 1 |利用毛细管力捕获和转向物体

要点：

1. 为了演示这个概念，本研究打印了一个厘米级的空心通道，里面装满水，并在空气-水界面放置一个毫米级的硅盘(一个“浮子”)。尽管浮子的密度比水大，但它在顶部边缘与接触线相固定，并通过界面张力保持悬浮。在浮子附近，界面向下弯曲(图1a，b)。在亲水的壁附近，界面向上弯曲。将浮子从通道中心移开会产生恢复力，该恢复力来自界面势能和重力势能的增加(图1c)。因此，与光学镊子的原理类似，该通道充当“毛细管镊子”，因此可以在没有固体接触的情况下捕获物体。

2. 为了平移浮子，本研究打印一个倾斜的通道，并在相对于界面垂直的方向去移动它。浮子通过在界面平面上线性移动来响应（图1d, e）。通过缓慢地移动机器（约1 mm s^-1），以便实现动力学上的准静态，而且该情况下惯性和流体动力学效应没有关联。

▲图 2 |初级毛细管机器能够以复杂的模式转向多个浮子

要点：

1. 为了协调多个浮子的运动，本研究利用了它们之间的毛细引力（capillary attraction）。图2a中的机器将垂直运动转换成两个浮子的旋转运动。两个浮子通过毛细引力相互吸引，然后这对浮子与通道的长轴对齐，以最大限度地减少来自壁面的排斥作用。为了在旋转后分离两个圆形浮子，本研究使用了一种壁面带有楔形物的结构(图2b)，这种结构引入了一种排斥毛细管力，可在没有物理接触的情况下将相互吸引的浮子分开。

2. 这三种基本设备（转换器，旋转器和分离器）可以组合在一起执行更复杂的操作。由此产生的复合机器可以将力和扭矩施加到多个浮子上，使它们能够以编程到通道几何形状中的规定的二维模式进行转向。这些操作中的每一个都是可逆的。为此，本研究开发了第四种基本设备，它打破了路径反转对称性，使我们能够将循环运动转化为功，就像在引擎一样。如果两个连接通道的横向对称性被破坏(图2c)，当方向相反时，通过较小通道供给的浮子进入较大通道。当顶部和底部具有这种不对称结点的毛细管机器循环运行时，当界面处于接点的高度时就反转方向，因而浮子在上下冲程中遵循不同的路径。所以，两种运动模式可以被编程到同一台机器中。

▲图 3 |可以编织三根微纤维的毛细管机器

要点：

1. 本研究将四台初级机器组合在一起，制成一台编织机(图3a), 并且用微米级纤维制造出无捻三股编织物。为了将浮子的路径转换成物理编织物，本研究将每根纤维的顶部连接到刺穿每根浮子的针上(图3b)。为了使织针不受阻碍地移动，本研究特意增加了一个贯穿机器的槽。随着机器向上移动，浮子沿着路径σ₁σ₂^-1运动，纤维顶部也是如此(图3c, d)。当机器向下移动时，浮子不会发生互换(图3d)。

2. 通过将机器循环m次，本研究制作了一个打印图案为(σ₁σ₂^-1I)^m =(σ₁σ₂^-1)^m的编织物，其中m是重复单元的数量(图3f)。理论上，该机器可以编织出任何m取值的编织物。实际上，m受到正在生长的编织物对浮子施加的张力的限制，这种张力最终会抑制它们的运动或淹没它们。

▲图 4 |具有迟滞和开关作用的紧凑型机器的设计

要点：

1. 虽然理论上人们可以3D打印出任何编织图案的机器，但是这种方法有两个困难。首先，随着光纤或电线数量的增加，机器变得十分庞大，因为每次交换都需要一个旋转器和不对称的结。第二，每种编织拓扑结构需要不同的基本设备。

2. 为了解决第一个困难，本研究开发了一种棘轮，它可以旋转浮子，打破路径反向对称，从而取代一个旋转器和两个不对称的结点。为此，本研究利用了水在3D打印塑料上前进或后退时接触角的差异(图4a)。这种接触角滞后的影响取决于前进和后退接触角以及几何形状，这种行为是可以模拟和预测的。本研究使用模拟来设计一个棘轮(图4b), 它在向下冲程时旋转一个矩形浮子，但在向上冲程时不旋转。此时对称性被打破，因为接触角控制着浮子是倾向于与槽对齐还是与矩形通道对齐。

3. 为了解决第二个困难，本研究利用了在任何高度逆转机器运动的自由度。通过组合三个不对称结创建了一个反向激活开关(图4d)。当浮子处于开关的操作区域时，反转机器的运动通过特殊通道发送，该通道可用于操纵浮子通过替代路径。

03
小结

毛细管机器不同于其他类型的机器，因为被操纵的物体通过弯月面进行耦合的。塑料通道不直接接触浮子，它们仅用于调节弯月面施加的张力。因此，即使要操作的对象是微观的，通道的形状也只需要在与毛细管长度(几毫米)相当的尺度上进行控制，这就是为什么可以使用3D打印来制造这些功能性机器。与机械、光学、电泳、磁性和流体等其他类型的联动装置相比，毛细管机器更容易制造，并且可以同时操作许多物体。此外，毛细管机器的开发时间很短:一个新的功能机器可以在一天的时间内设计、打印和测试，这使得快速开发其他应用的解决方案成为可能。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05234-7

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