新策略實現硅基微機器人的合理化組裝構建

近日，暨南大學化學與材料學院副教授王吉壯、教授李丹團隊與合作者，在前期光驅動硅納米線馬達研究的基礎上，進一步開發了基于金屬-絕緣體-半導體（MIS）結構的光磁復合硅基微馬達，通過能帶結構優化將磁性金屬Ni引入MIS結構的一體化構造，在保證優異光電化學性能的基礎上，增強了方向的操控性。此外，磁性元素的引入也為合理化磁組裝提供了條件。相關成果發表于《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）。

“該工作所提出的馬達作為基礎組件合理化組裝以及模板輔助的組裝方法對功能微機器人構建及應用發展具有一定的借鑒意義。”論文通訊作者王吉壯表示，以光驅動硅基馬達作為基礎組件，其團隊創新性的開發了微洞陣列模板輔助的磁組裝策略實現了多種結構的硅基微機器人的合理化組裝構建，并展示出增強的細胞操控性能。

微納機器人作為一種微觀尺度上具有特定功能的新型微納米器件，其研究及應用取得了顯著進展。然而，隨著應用研究的深入，對其操控性和功能性提出了更高的要求，這也激發了領域研究者不斷嘗試新的方法，以滿足應用需求構建功能微納機器人。其中，通過整合不同的功能組件并開發合理的組裝策略被證明是一種有效的方法來構建微納機器人。

該研究提出了MIS結構的硅納米線光磁復合微馬達，通過MIS結構的優化設計，合理化選擇磁性金屬Ni作為金屬端，同時也可作為磁控組分，為硅納米線光磁復合微馬達的精確磁操控和組裝提供了可能。在可見光的照射下，硅納米線光磁復合微馬達利用光激發的光電化學反應誘導的自電泳進行有效推進和實時的啟停控制。

研究人員利用所開發的MIS結復合馬達的磁性特征，創新性的提出了一種微洞陣列模板輔助組裝的方法。他們首先將一個馬達引導進入洞中固定，然后操控另一個馬達與其組裝，重復該過程即可實現不同結構微機器人的構建。除了組裝，通過微洞還可實現解組裝的操作。孔輔助組裝為微納機器人的構建提供了一種簡單可行的策略。

與單個微納馬達相比，組裝的微機器人表現出增強的操控能力。“V”字型微機器人具有運輸多個細胞的能力。此外，還可通過磁控的旋轉實現細胞的挖掘操作。空間的三叉結構馬達表現出更穩定的細胞抓取能力，利用三叉微機器人可以實現細胞的精確操控，構建獨特的JNU形狀。

論文通訊作者王吉壯表示，在可見光激發下，通過光電化學反應觸發的自電泳實現自驅動。利用該微馬達的磁性特征，通過簡單的洞陣列模板輔助實現了微馬達組裝以構建多種結構的微機器人。這些組裝的微機器人展示了增強的細胞操控能力，包括多細胞運輸、深洞挖掘和精準定位。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202405895

基于MIS結硅納米線光磁復合馬達的構建、模板輔助合理化組裝微機器人及細胞操控示意圖。研究團隊供圖

基于微洞陣列模板輔助組裝的方法實現微機器人的合理化組裝與拆解。研究團隊供圖 

微型機器人對細胞的操控。研究團隊供圖