普渡大學(xué)研究人員集成色彩的3D打印微型機(jī)器人

來源: 廣西增材制造協(xié)會

普渡大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究人員為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的藥物輸送等應(yīng)用開發(fā)了一種創(chuàng)新的新型構(gòu)圖方法。作者在最近發(fā)表的“具有用于識別和跟蹤的集成結(jié)構(gòu)顏色的3D打印微型機(jī)器人”中詳細(xì)介紹了他們的研究，作者通過使用雙光子聚合（TPP）的技術(shù)使我們洞悉了微米和納米級的新模式，該技術(shù)可提供亞微米級解析度。

雖然微型機(jī)器人（分為生物、混合和合成組）在諸如微操縱和高級感測等應(yīng)用中很有幫助，但由于需要在一個設(shè)備中組合致動和無線控制、微型結(jié)構(gòu)的開發(fā)仍然存在障礙。在很多情況下，尺寸是一個問題，盡管通常在外部提供驅(qū)動。使用微型機(jī)器人系統(tǒng)、視覺和跟蹤在體外和體內(nèi)過程中也面臨著廣泛的挑戰(zhàn)。

研究人員說：“對于尺寸較小的3D打印微型機(jī)器人，需要有替代的制造方法來整合獨(dú)特的跟蹤功能，包括使用熒光材料（例如量子點(diǎn)）或使用選擇性附著在特定官能團(tuán)上的熒光團(tuán)標(biāo)記微型機(jī)器人表面�！薄氨M管它們成功地進(jìn)行了跟蹤，但這些材料會隨著時間的流逝而失去熒光，但限制了其使用壽命�！�

在這項(xiàng)研究中，色彩扮演著重要角色，圖案由指向上方的棱鏡陣列組成，從而允許團(tuán)隊(duì)將其整合到微型機(jī)器人的不同區(qū)域。模式開發(fā)如下：
· 紅色圖案–尺寸為160 nm x 170 nm的塊
· 綠色圖案–占位面積為120 nm x 90 nm的塊
· 螺旋和平臺微型機(jī)器人上的陣列均由所有紅色（R），所有綠色（G）或交替的紅色和綠色（RG）組成

具有結(jié)構(gòu)彩色特征的3D打印微型機(jī)器人的制造和表征。A）3D打印的微型機(jī)器人的制造過程：（i）-（iii）IP-DIP光致抗蝕劑沉積在載玻片上，并使用TPP制造系統(tǒng)（Nanoscribe Photonic Professional GT）打印微型機(jī)器人；（iv）去除未聚合的光致抗蝕劑；（v）-（vi）Ni和Ge依次沉積（分別為100和35 nm）到2Åsx1的結(jié)構(gòu)上；（vii）將微型機(jī)器人移至水溶液中，然后使用微量移液器將其釋放。B）（i）螺旋微型機(jī)器人的CAD設(shè)計(jì)，該螺旋微型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)彩色區(qū)域位于螺旋頭的頂面上。根據(jù)Nagasaki等人[41]的尺寸，不同的晶胞設(shè)計(jì)包括G和RG。（ii）具有10 x RG圖案的單個螺旋微型機(jī)器人的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，以及（iii）在白光下顯色的相同結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像。C）（i）具有結(jié)構(gòu)顏色圖案的控制平臺微型機(jī)器人設(shè)計(jì)的CAD圖像。（ii）具有5 x RG圖案的控制平臺的SEM圖像，以及（iii）在表示顏色的白光下具有相同結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像。（注意：根據(jù)Basler的Pylon Viewer軟件，光學(xué)圖像采集期間的飽和度值為4）。

取決于光源，表示的顏色可能會有所不同。作者指出，為了增加色彩對比度，他們使用了高折射率的Ge介電層。但是，該研究樣本的結(jié)果僅為“最小”。將光源設(shè)置在固定位置，然后用手旋轉(zhuǎn)，每次顏色發(fā)生明顯變化時都記錄圖像。

結(jié)構(gòu)顏色表征。A）使用ImageJ獲得的RGB值，從在CIE1931顏色空間中繪制的螺旋微型機(jī)器人表示的顏色。螺旋狀微型機(jī)器人表示的顏色與角度的關(guān)系的光學(xué)圖像：B）5 x R，C）5 x G，D）5 x RG和E）10 x RG。

研究人員說：“與僅R和G模式相比，RG模式顯示出更廣泛的色彩范圍�！薄� R和G模式僅表示藍(lán)色和紅色的明亮顏色，而RG另外表示明亮的綠色�！�

“根據(jù)所應(yīng)用的角度對顏色表達(dá)進(jìn)行微調(diào)，可以通過識別微型機(jī)器人在3D工作區(qū)中移動時的顏色變化，從而實(shí)時提供微型機(jī)器人在xy和z方向上的位置的實(shí)時信息�！�

相對于垂直傾斜的結(jié)構(gòu)顏色。A）在平面化的硅片上釋放的控制平臺，其傾斜角度為水平面30、45和60。（注意：為清楚起見，已刪除了圖像背景。）B）控制平臺，其中一個邊緣固定到透明基板上，另一個邊緣使用磁場以不同的量傾斜出平面，從而產(chǎn)生不同的顏色表示。對于零件（A）和（B），當(dāng)平臺傾斜時，將燈保持在同一位置。

螺旋微游泳器依賴于作動器的旋轉(zhuǎn)磁場，而控制平臺微型機(jī)器人則依靠依賴于MagnebotiX線圈系統(tǒng)的梯度場。研究人員指出，隨著控制平臺的旋轉(zhuǎn)，可以看到顏色以及使用低頻的螺旋機(jī)器人上也可以看到顏色。研究人員確實(shí)注意到，盡管顏色根據(jù)方向和光源而有所不同。

“使用結(jié)構(gòu)色塊尺寸的變化來探索操縱顏色表達(dá)的能力。在這項(xiàng)研究中，交替的塊幾何形狀比具有單一塊幾何形狀的陣列提供的顏色范圍更大�！毖芯咳藛T總結(jié)說�！半S著微型3D打印技術(shù)精度的提高，以及通過探索復(fù)雜的圖案，可以獲得非虹彩顏色�！�

“最近已針對類似于Morpho蝴蝶的3D打印薄片狀結(jié)構(gòu)證明了這一點(diǎn)，盡管這種類型的圖案僅表現(xiàn)為人造藍(lán)色，并且在移動時未應(yīng)用于結(jié)構(gòu)。通過探索新的經(jīng)過計(jì)算設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)并將其集成到3D微機(jī)器人系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)顏色不僅可以成為跟蹤和識別的通用元素，而且可以創(chuàng)建可調(diào)整的表面特性。

顏色跟蹤和運(yùn)動評估。A）螺旋微型機(jī)器人的頭部具有完整的結(jié)構(gòu)顏色，表示為紅色，緊隨其上沒有納米圖案的對照微型機(jī)器人的光學(xué)圖像；B）以（i）低頻和（ii）高頻表示的顏色；C）在透明基板上具有不同納米圖案的兩個彩色螺旋微型機(jī)器人。D）應(yīng)用于彩色螺旋微型機(jī)器人的基于顏色的跟蹤算法，其中真實(shí)的光學(xué)圖像（i）由該算法使用圖像（ii）中所示的顏色跟蹤蒙版進(jìn)行識別。E）微型機(jī)器人跟蹤的匯編，起始位置由ti指示，其結(jié)束位置為tf。比例尺，50μm。

在涉及創(chuàng)新的微結(jié)構(gòu)，精子機(jī)器人和各種不同技術(shù)的研究項(xiàng)目中，微型機(jī)器人和藥物輸送系統(tǒng)繼續(xù)受到3D打印的影響。