浙江大学邹俊团队Device：以油滴为载体，实现具有稳定自我保护功能的气泡操控 | Cell Press对话科学家
物质科学
Physical science
2024年6月21日，浙江大学邹俊教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表题为“Using oil droplets to transport and manipulate bubbles in aqueous environments”的研究论文。研究团队从囊泡运输的灵感出发，设计了一种以油滴为载体的具有稳定自我保护功能的气泡操控方法。实现跨尺度的气泡操控，可以操控单个气泡，也可以对多个气泡同时操控。
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研究亮点
以油滴作为气泡运动的载体，突破了以往的研究仅能在二维方向上操控气泡，实现了在三维空间内多模式的气泡运动。
油滴的运载对气泡起到隔离保护作用，可以使气泡在运输过程中免受损失。
实现跨尺度的气泡操控，大至80µL，小至20nL，可以操控单个气泡，也可以对多个气泡同时操控。
研究背景
在生物医学研究、工业制造等广阔领域，气泡的精确操控显得尤为重要。然而，传统的直接和机械控制方法一直受到尺寸适应性不足、自由度受限以及气体损失等问题的制约。为了突破这些限制，我们受到生物体内囊泡运输机制的深刻启发，创新性地开发出一种基于介电润湿原理、以油滴为载体的气泡操控技术。
囊泡运输：在生物体中，细胞内部内膜系统各个部分之间的物质输送常常通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体，高尔基体到溶酶体，细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。膜泡运输将要运输的物质用膜包围起来形成膜泡，然后膜泡沿着微管或微丝运动，从而实现不同细胞器之间的反应物的运输。这种策略不直接运输物质，而是使用膜泡作为载体来运输物质，它提供了几个无与伦比的优势：(i)可以通过膜泡实现各种操作，包括多维度输运、物质合并、释放等；(ii) 膜泡可以起到保护运输物质的作用；(iii) 膜泡一次可以运输多个、多种、多尺度的物质。
油载电驱气泡：我们开发了一种基于介电润湿原理(EWOD)的油滴载具，以实现保护性、跨尺度、多维度的气泡操控。我们的这种策略不同于以往的直接操作气泡而是将油滴作为载体来通过操作油滴来操作气泡，它具有膜泡运输的几个优势，可以实现：(i) 气泡的多维度操作，包括直线运动、平面运动、垂直运动、空间运动、越障、上坡、下坡；(ii) 仿生膜泡运输方式的油滴载体的概念可以实现气泡的隔离保护操作，从而实现气泡运输过程中的完整性和免受损害；(iii) 气泡的多模式操作，包括跨尺度（从20nL到80μL）的气泡操作、单个或者多个气泡的操作、气泡的合并和定点释放。
图1 仿囊泡运输的油载气泡操控原理及操控能力演示
操控平台设计
基于介电润湿的气泡操控平台主要由：液池、基底支撑件、基底、平台支架、电源、外围控制电路、显微相机和计算机组成。液池为盛有水的透明亚克力盒子，置于平台支架之上，基底支撑件为3D打印件，粘于液池底部，可以将基底稳定地固定于液池内，通过调节平台支架四个支撑脚高度可使基底处于水平面。基底通过铜箔胶带和导线与外围控制电路及电源相连，通过计算机编程可以自动控制基底上各个电极的通断，电源由干电池和升压模块组成，可输出0-800V的直流电。
图2 气泡操控平台示意图。(A)系统结构图。(B)带驱动电极。(C)阵列驱动电极。
气泡水平操控
当油滴运载着气泡位于两个驱动电极之上时，将其一侧的电极导通，那一侧的接触角就会发生变化，从而打破受力平衡，使油滴和气泡的整体发生运动。气泡的水平传输方向可以通过控制激活电极的位置来调节。在左电极打开和右电极关闭的情况下，油载体在左侧快速收缩，将气泡推向右电极的方向。
气泡垂直操控
气泡的垂直传输可以通过均匀的激活电极来实现。当在驱动电极和零电极之间施加电压（＜释放阈值电压）时，油滴载体迅速收缩并提起气泡。电压越高，高度的变化就越大。电场消除后，它很快就恢复到原来的状态。当电压达到临界水平（＞释放阈值电压）时，油滴液桥在R-P不稳定性作用下发生自发夹断，导致气泡从表面分离并释放到水环境中。
图3 气泡多维操控
跨尺度气泡操控
图4 跨尺度气泡操控。(A-B)水平运动；(C-D)多气泡操控；(E-G)垂直释放；(H)性能对比
气泡操控的多功能应用
图5 气泡操控的多功能应用。(A)水下机器人；(B)光学开关；(C)水下气体反应；(D)高通量油载气泡操控平台。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请邹俊教授进行了专访，请他为大家做进一步的深入解读。
CellPress：
请简要概述这项工作的亮点。
邹俊教授：
我们从囊泡运输的灵感出发，设计了一种以油滴为载体的具有稳定自我保护功能的气泡操控方法。这个载体既可以向汽车一样运载气泡在水平面上移动，也可以像电梯一样运载气泡垂直升降。同时，由于载体本身的操控性和包容性都比较强，我们可以在同一个平台上实现大到几十微升级小到纳升级别的气泡操控。CellPress：
研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？
邹俊教授：
我们在研究最开始的做气泡操控的时候其实并不是打算用油滴作为载体，而是像更普遍做法一样只是利用油膜层作为润滑层。不过，在高电压的作用下，我们发现水下的油膜层非常不稳定，极易在非对称电场作用下失稳破碎成几个油滴，即便我们将油膜层厚度增加至将近1mm都无法阻止油膜的不规则破碎，这就使得气泡操控的可靠性极差。这也给我们带来了灵感，为何不直接用更可靠的油滴作为载体，这不仅解决了我们操控可靠性的难题，也给促使我们去思考油滴的变形是否可以为气泡在垂直方向的操控带来新的突破。
CellPress：
团队下一步的研究计划是怎样的？
邹俊教授：
接下来，我们的工作计划将围绕以下三个核心方向展开。首先，我们致力于优化驱动电极的制造工艺，以显著降低气泡操控所需的驱动电压，目标是将当前的驱动电压从约400V大幅削减至约10V。其次，我们计划将现有的气泡开环操控方式升级为闭环反馈控制系统，从而提升操控平台的稳定性和可靠性。最后，针对高通量气泡操控的需求，我们拟将微流控芯片与微气泡操控平台相结合。在封闭式的微流控芯片向开放式的微气泡操控平台高通量精准供给气泡和油液，再在微气泡操控平台上实现多气泡的同步操控。
CellPress：
最后，请与我们分享一下选择Device来发表这项工作的原因。
邹俊教授：
Device作为Cell，Chem，Joule和Matter的姊妹刊，是应用技术领域影响力较大的高水平期刊。其目标是促进科研领域的创新整合与交叉融通，以激发科研群体的创新性，从而研发出具有现实意义且能够提高人们生活质量的新设备和新器件。我们的工作正好符合这个期刊的定位，所以我们就决定把研究成果投给Device，希望能让更多人看到我们的成果！
作者介绍
林方烨
研究员
林方烨，工学博士，浙江大学宁波科创中心机械分院助理研究员，主要从事流体驱动传动技术研究，在Physical Review Fluids, Physics of Fluid, ACS Applied Material & Interface等期刊发表论文十余篇。
沃珂妤
研究生
沃珂妤，浙江大学机械工程学院硕士研究生，目前主要从事流体与机电装备设计研究。
唐威
助理研究员
唐威，浙江大学博士后，助理研究员。2022年9月获得浙江大学工学博士学位，导师为邹俊教授、杨华勇院士。主要研究方向为柔性驱动及机器人应用，以第一作者/通讯作者在Nature Communications、Science Advances、National Science Review、Research等期刊发表论文10余篇，其中Nature/Science子刊论文4篇。
邹俊
教授
邹俊，工学博士，教授，博士生导师，浙江大学机器人与智能装备科技联盟秘书长。主要从事机器人、智能制造、流体传动等研究工作。获得国家教学成果二等奖1项、省部级科技进步一等奖2项、日内瓦国际发明金奖2项、全国发明展览会金奖1项，JIMSE 全球先进制造青年科学家奖（2023），研究团队获得2022年中国机器人科学引领奖，在Nature Communications、Science Advances、National Science Review等期刊上发表SCI论文80余篇，授权发明专利50余项。
相关文章信息
研究成果发表于在Cell Press旗下Device期刊上
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▌论文标题：
Using oil droplets to transport and manipulate bubbles in aqueous environments
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998624002710
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100428
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