導(dǎo)讀：在自然界中，纖毛廣泛存在于呼吸道上皮和海洋微生物表面。雖然尺度僅為微米級，但通過協(xié)同、非互易的周期性擺動，纖毛能夠高效實現(xiàn)定向輸運(yùn)和流體操控等功能。

如何在人工系統(tǒng)中復(fù)現(xiàn)這種運(yùn)動方式，一直是軟體機(jī)器人和微流控領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。難點(diǎn)并不在于結(jié)構(gòu)成形，而在于能否在微米尺度下，實現(xiàn)低電壓、毫秒級響應(yīng)、可編程的非互易三維運(yùn)動，并具備陣列化集成能力。

示意圖：3D打印水凝膠驅(qū)動器實現(xiàn)毫秒級仿生纖毛運(yùn)動

1月14日，德國斯圖加特馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所Metin Sitti教授聯(lián)合香港科技大學(xué)胡文琪助理教授，利用雙光子聚合（TPP）3D打印技術(shù)，開發(fā)了一種水凝膠微纖毛陣列致動器。

該系統(tǒng)在低至1.5 V的電壓下即可實現(xiàn)毫秒級響應(yīng)，并在微米尺度上實現(xiàn)了可編程的非互易三維運(yùn)動與復(fù)雜流體操控。

相關(guān)成果以“3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators”發(fā)表在《Nature》期刊上。其中中國青年學(xué)者Liu Zemin為論文第一作者。

從毫米到微米：納米孔水凝膠帶來的尺度躍遷

傳統(tǒng)水凝膠致動器大多工作在毫米尺度，其驅(qū)動依賴于pH或滲透壓梯度建立，響應(yīng)時間往往以秒計。而本研究的關(guān)鍵突破，在于尺度的根本性縮小。

研究者通過雙光子聚合3D打印，將離子水凝膠內(nèi)部的孔徑從幾十微米壓縮至納米尺度。這種高度致密、均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著提升了材料的有效比表面積，使電雙層（EDL）容量大幅增加，從而在電場作用下實現(xiàn)更高效的離子傳輸與電滲流。

圖1：電驅(qū)動水凝膠微致動器的制造、機(jī)制和裝置

最終得到的，是直徑2–10 μm、高度18–90 μm的水凝膠微纖毛，并在其周圍集成了間距30–300 μm的微電極。在僅1.5 V（低于水電解閾值）的電壓下，局部電場強(qiáng)度即可達(dá)到5000–50000 V·m?1，為快速、可逆的驅(qū)動奠定基礎(chǔ)。

離子在“納米迷宮”中奔跑：毫秒級彎曲的真正原因

當(dāng)電場施加后，微纖毛幾乎“立刻”做出反應(yīng)。其彎曲速度相比傳統(tǒng)水凝膠快了近100倍，根本原因并不在于材料“更軟”，而在于離子遷移路徑被極度縮短。

更有趣的是，彎曲方向完全由溶液中的主導(dǎo)離子決定。

在H?主導(dǎo)的去離子水中，纖毛向陽極彎曲；在Na?主導(dǎo)的生理鹽水中，纖毛則轉(zhuǎn)而向陰極彎曲；在中等鹽濃度下，H?與Na?的競爭會導(dǎo)致先正向、再反向的瞬態(tài)彎曲行為。

圖2：凝膠微纖毛致動器動力學(xué)的表征

耦合的電-化學(xué)-力學(xué)模擬揭示了這一過程的微觀圖景：H?遷移率（μH = 3.62 × 10?? m2·s?1·V?1）遠(yuǎn)高于Na?，在電場中更快聚集，引發(fā)局部網(wǎng)絡(luò)收縮；而Na?的水合作用則導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)溶脹。正是這種離子遷移率差異，賦予了系統(tǒng)可預(yù)測、可設(shè)計的非互易動力學(xué)。

在10000 V·m?1的電場下，H?穿越10 μm僅需2.8 ms，使得纖毛的旋轉(zhuǎn)彎曲頻率可達(dá)40 Hz。

非互易不是“隨機(jī)”：可重編程的微尺度協(xié)同運(yùn)動

單根纖毛的快速彎曲只是開始。真正令人印象深刻的，是該系統(tǒng)在陣列尺度展現(xiàn)出的高度可編程性。

通過對圖案化微電極施加不同相位與時序的電信號，研究者實現(xiàn)了多種復(fù)雜運(yùn)動模式，包括同步單向彎曲、180°異相彎曲、順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，以及相鄰纖毛的反向協(xié)同運(yùn)動。

圖3：凝膠微纖毛陣列的動態(tài)彎曲運(yùn)動

這些運(yùn)動可無縫擴(kuò)展至5×5乃至25×25的陣列，每一個致動單元都可獨(dú)立尋址。陣列甚至可以被“寫成”特定圖案，例如通過180°相位差，讓纖毛陣列動態(tài)顯示“HKUST”或“MPIIS”，在微尺度上形成清晰可辨的視覺對比。

更進(jìn)一步，水凝膠纖毛還能與3D打印的微機(jī)械結(jié)構(gòu)集成，將彎曲轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)、拍動等復(fù)雜運(yùn)動；甚至被用來構(gòu)建一個“人工海星幼蟲”平臺，在電控下重現(xiàn)生物體表面纖毛驅(qū)動的渦流陣列。

不只是動：微纖毛驅(qū)動的可編程流體

研究者展示了兩種流體操控策略：一是結(jié)構(gòu)編碼，在相同驅(qū)動信號下，僅通過改變纖毛的位置與密度，就能生成完全不同的渦流拓?fù)�；二是時間編碼，通過獨(dú)立尋址、相位差驅(qū)動，動態(tài)重編程流場結(jié)構(gòu)。

圖4：凝膠微纖毛陣列對流體的動態(tài)操控

由此產(chǎn)生的流動模式包括嵌套渦流、L形流動、雙向垂直流等，粒子圖像測速（PIV）結(jié)果與理論預(yù)測高度一致。估算的最大流速達(dá)到50–250 μm·s?1，展示了其在微流控輸運(yùn)與顆粒操控中的實際潛力。

小結(jié)與展望

這項工作展示了一條極具啟發(fā)性的路徑：通過3D打印、離子水凝膠與低電壓電場，在微米尺度上實現(xiàn)高頻、非互易、可編程運(yùn)動。

它不依賴復(fù)雜的機(jī)械傳動，也不需要高能耗刺激，卻在運(yùn)動自由度與系統(tǒng)集成度上，逼近了生物纖毛的工作方式。隨著材料組成、電極結(jié)構(gòu)和尺度的進(jìn)一步優(yōu)化，這類電控水凝膠微纖毛有望在微型機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)器件與智能微流控系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用

文獻(xiàn)鏈接

Liu, Z., Wang, C., Ren, Z. et al. 3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators. Nature (2026).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09944-6

來源：3D打印資源庫