對跨尺度液滴的多樣化操縱，在精細化學和生物醫療檢測等領域都有重要的應用前景。從實用角度出發，有效的液滴操縱技術需要多功能集成及多尺度適用性。近年來，磁激勵憑借其遠程可控、生物安全性好、對環境透射率和基底電荷不敏感等優勢已被廣泛應用于液滴操縱領域。然而，如何進一步擴展磁響應液滴操縱的功能，并將多樣化的液滴操縱功能從微升尺度擴展到納升尺度仍極具挑戰。鑒于此，中國科學技術大學工程科學學院微納米工程實驗室胡衍雷教授團隊及其合作者利用飛秒激光微納制造方法，制備了一種可用于跨尺度液滴操縱的磁響應雙面神折紙機器人，實現了多樣化液滴操縱功能的有效集成，包括液滴的三維運輸、合并、分裂、子液滴分發與按需釋放、攪拌以及遠程加熱等。同時，這種操縱策略的高穩定性賦予了其跨尺度液滴操縱能力，可以實現對~3.2 nL 到 ~51.14 μL體積范圍內液滴的操縱。該工作于9月6日以“Magnetic Janus origami robot for cross-scale droplet omni-manipulation”為題發表于Nature Communications。
 

圖1.磁響應雙面神折紙機器人及其多功能液滴操縱應用
 

　　磁響應雙面神折紙機器人的上下表面分別具有不同的潤濕特性。如圖1所示，機器人上表面為超疏水低液滴黏附狀態，而下表面則為疏水高液滴黏附狀態。同時，機器人的上表面還設計了兩條折痕，以使機器人與液滴相接觸時，可以在毛細力的作用下自發包裹液滴。機器人整體輪廓、折痕和表面微納功能結構的加工和改性均由秒激光掃描而成。機器人在磁場驅動下通過翻滾主動靠近并包裹水滴，可以實現對水滴的可控運輸。除此之外，磁響應雙面神折紙機器人還可以通過定向翻滾與折疊從大液滴中分發出子液滴。通過控制磁場強度可以將分發的子液滴從機器人中擠出。機器人利用其特殊設計的超疏水外表面輕推水滴，可以實現子液滴的可控釋放分離。機器人也可以在磁場作用下旋轉，實現液體的可控混合，并結合其光熱特性實現遠程加熱。
 

圖2.基于磁響應雙面神折紙機器人的液滴攪拌、光熱攪拌以及多功能液滴操縱集成
 

　　如前所述，磁響應雙面神折紙機器人可以實現類似于商業化磁力攪拌機的攪拌及加熱功能。圖2的熒光分布圖清晰展示了攪拌過程中液滴的混合程度。除了能夠實現水的快速混合之外，通過機器人的加熱攪拌功能還可以有效實現高粘度液體(甘油)的快速混合。加熱溫度可以達到80℃以上。
 

　　在實現多樣化液滴操縱的基礎上，磁響應雙面神折紙機器人可以將多種液滴操縱功能有效集成，實現連續的液滴操縱目標。例如，機器人可以通過翻滾運動主動靠近水滴并分發出一定體積的子液滴，通過定向運輸將分發的子液滴與另一液滴合并，最終通過攪拌實現不同成分液滴的快速混合。這種多功能液滴操縱集成還能夠有效擴展到納升尺度液滴上。
 

　　最后，作為概念驗證，通過對磁響應雙面神折紙機器人進行表面修飾，并結合其多樣化的液滴操縱功能，成功實現了核酸的提取和純化(圖3)?？傊彭憫p面神折紙機器人可以實現跨尺度液滴操縱，對精細化工、醫療診斷和微流體技術等廣泛需要精確獲取和添加試劑、微液滴圖案化和快速微液滴反應的領域具有重要意義。
 

圖3.基于磁響應雙面神折紙機器人的核酸提取與純化應用
 

　　工程科學學院蔣紹軍博士為論文第一作者。通訊作者為中國科學技術大學胡衍雷教授、吳東教授和香港理工大學王立秋教授。論文的合作者還包括中國科學技術大學褚家如教授、李家文副教授、中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所朱靈研究員、中國科學技術大學附屬第一醫院沈佐君教授等。該項研究工作得到了國家自然科學基金優秀青年科學基金、中國科學院青年創新促進會、科技部國家重點研發計劃等基金等項目的支持。(工程科學學院、科研部)