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受植物启发的TransfOrigami微流体

导读 植物脉管系统的健康取决于其对环境刺激作出反应的能力。受植物启发的合成微流体系统很少表现出它们的环境响应性。在现在发表在《科学进展》

植物脉管系统的健康取决于其对环境刺激作出反应的能力。受植物启发的合成微流体系统很少表现出它们的环境响应性。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中,YiPan和中国大学机械工程研究团队介绍了受生物启发的可变形微流体,其中嵌入了刺激响应材料,以响应温度、湿度和光辐照度。该团队设计了一种可折叠的几何形状,并将设备命名为TransfOrigamimicrofluidics,缩写为TOM,以突出其转换与折纸结构之间的联系,以用作环境适应性光子反应器。该装置感知环境刺激,通过形态转化为光合转化提供正反馈。该团队设想将该微系统扩展到更广泛的应用,包括人工血管网络和柔性电子设备。

仿生微流体

植物具有丰富而复杂的脉管系统,可以通过组织输送水分和养分,以维持正常的新陈代谢。例如,叶子中的静脉可以将光合作用产生的营养物质输送到整个小叶中进行运输。这些发展可用于形成具有嵌入式流体通道的人工系统,包括仿生微流体装置。植物可以进化出对环境变化的反应,以便在不断变化的自然环境中发挥良好的作用。感知外部环境并进行调整的潜力被称为相对于光照、温度和湿度变化的环境适应性.在这项工作中,Pan等人受到具有刺激响应结构的植物的生物启发,将这一概念实现为可变形的微流控芯片,在薄且可折叠的结构上具有刺激响应材料。他们的TransfOrigami微流体方法适用于环境适应性光微反应器。该产品可以通过自适应节奏运动激发能源、机器人和医学领域的应用。

研究小组观察了日间植物Oxaliscorniculata,它可以展开其传单进行阳光照射,并通过折叠传单在夜间关闭。基于这一灵感,Pan等人为该设备采用了薄且可折叠的折纸结构。该团队选择了响应材料,其中硅弹性体提供了一种成熟的软光刻方法来支持其微细加工。他们将刺激响应的变形折纸集成到一个薄的微流控芯片中,通过传统的软光刻技术和一些修改来创建TOM(TransfOrigami).折纸结构允许在2D平面状态和3D紧凑形式之间灵活转换,以创建3D流体运动。科学家们通过开发一种改进了先前示例的薄微流体装置来证明这一概念。该团队首先通过光刻法创建了一个带有微通道图案的模具,然后在模具上旋涂了一层薄薄的聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物。他们重复了类似的步骤,并为最终修整成设计形状的薄微流体装置开发了镂空区域。该团队将该设备划分为三个区域,包括对角执行器、集光面板和中心执行器。然后,他们使用扫描电子显微镜识别了这些组件,以及能量色散X射线映射以确认组成元素。Pan等人观察到热响应性水凝胶聚(N-异丙基丙烯酰胺)(pNIPAM)与器件的PDMS组成聚合物之间具有很强的粘附性。他们用集光板突出了透光区域,而蛇形通道促进了设备的功能。

TransfOrigami(TOM)的环境响应变形

团队接下来量化了TOM的折叠和展开性能。在光照条件下,TOM逐渐展开,而在低温高湿条件下逐渐开始折叠。Pan等人通过测量不同温度或光照下不同情况下的展开百分比来量化TOM的环境响应性。温度在高湿度环境中继续发挥作用。理论上,较厚的pNIPAM驱动层和较薄的PDMS无源层会增加TransfOrigami设备的变形程度。为了在实践中实现这一目标,研究人员将聚合物分别设计为最厚和最薄,同时包括光热掺杂剂,如石墨烯纳米片到PDMS,实现光热响应驱动。该团队采用卤素灯作为太阳光的模拟器,以覆盖与太阳光一致的波长范围,不包括紫外线。随后,光化学反应和热效应形成了器件的光热转换,团队在室外自然气候下晴天和雨天对其进行了测试,具有户外应用潜力。

TOM的应用:适应性光合作用

研究小组接下来构建了一个带有注射泵、反应室和光流池的装置,以监测通过TOM(TransfOrigami)装置的光合作用流,以实验验证TOM变形对光反应的影响。在这些实验中,Pan等人根据照度、温度和湿度的值简化了光合作用的预期环境,以适应不同的输出。更有利的光反应条件允许达到更高的转化率。自我可持续的系统可以收集、保存、管理和使用有限的能源。

外表

通过这种方式,YiPan及其同事设计了一种变形微流体装置,可以从2D转换为3D,或在不同的3D结构之间转换,其中动态转换最终为四维(4D)概念添加了时间维度。4D微流体装置通过重建具有不同特性、方向、混合效率和流速的微通道来调节流体行为。开创性的、受植物启发的变形折纸微流体可以通过协调集成在装置中的刺激响应变形材料来实现自适应光合作用。该团队使用响应环境温度、湿度和光辐照度的自驱动弹性体开发了这种结构。Pan等人应用变形来调节光合转化,并在系统中内置正反馈控制。智能系统为在生物医学领域开发智能软设备和人工脉管系统铺平道路。