基于弯液面辅助3D打印的磁铁矿-PEDOT:PSS复合微执行器：柔性磁控驱动新策略

　　本文介绍了一种通过弯液面辅助3D打印技术制备的磁铁矿（Fe2+Fe3+2O4）-PEDOT:PSS复合微执行器，该器件结合了磁性响应能力和聚合物柔性，在微机电系统（MEMS）、软体机器人和生物电子领域具有应用潜力。

　　

1 引言

软体微机器人在微机电系统（MEMS）、软体机器人和生物电子等领域引起广泛关注，因其具备在微尺度实现自适应和柔顺运动的能力。与传统刚性微执行器依赖电、热或压电刺激不同，软体微机器人具有机械柔性、生物相容性和在受限或脆弱环境中作业的独特优势。磁控软微执行器因其无线、非接触的驱动方式，在密闭空间中可实现高效运动控制，无需直接电路连接。

早期研究主要集中于铁磁或超顺磁材料构成的刚性微结构，例如镍基和钴基微机械系统虽表现出快速响应和精确运动控制，但缺乏软体机器人所需的柔顺性。为克服该限制，近年来研究者开始探索兼具磁响应性和机械顺应性的混合材料。例如磁性水凝胶（ferrogels）和嵌入磁性微粒的弹性体复合材料，但仍存在环境条件下耐久性差、驱动精度低等问题。

在各类磁响应材料中，磁铁矿（Fe²⁺Fe³⁺₂O₄）纳米颗粒具有优异的超顺磁特性，可在外部磁场下实现快速可调运动。然而纯磁铁矿微柱因其脆性，在机械应力下易发生断裂，限制了其在软体微机器人中的应用。

为此，本研究提出一种混合软微执行器，将磁铁矿纳米颗粒与聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT:PSS）这一导电高柔性聚合物相结合。PEDOT:PSS层提供结构完整性和弹性，使执行器在发生可逆形变时仍保持机械鲁棒性。该设计实现了柔软而精确的驱动，适用于需要可控自适应运动的应用场景。此外，执行器采用弯液面引导3D打印技术制备，能够以微米级弯液面精确制造柱状结构。本研究系统探讨了磁铁矿-PEDOT:PSS复合微执行器的制备、结构特性与驱动性能，并证明其驱动角度超过10度，具有良好的磁场控制性能，有望替代传统MEMS驱动镜系统，应用于激光雷达（LiDAR）等领域。

2 结果与讨论

图1展示了使用微弯液面方法制备磁铁矿微柱的流程与表征。制备过程中，将含有分散磁铁矿纳米颗粒溶液的玻璃移液管尖端与亲水性硅片接触，随后垂直向上提拉移液管，通过弯液面蒸发在基底形成微柱。为终止微柱生长，快速提起移液管，仅留下微柱结构于硅片上。

本研究中，移液管安装于三轴步进电机控制平台，以实现磁铁矿微柱位置和高度的精确控制。磁铁矿溶液在磁铁靠近时被吸引，证实溶液中纳米颗粒密度足够。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，通过4×4阵列制备的磁铁矿微柱高度约200μm，间距和高度均通过步进电机精确控制。然而纯磁铁矿微柱表现出机械脆性，轻微玻璃尖端推力便导致结构断裂，且对近距离钕磁铁无吸引响应，说明单一磁铁矿结构难以实现有效磁场控制，需通过柔性结构进行功能补充。为此，本研究引入PEDOT:PSS层，并通过实验分析其结构互补效应。

为提供微观结构表征并解决单材料磁铁矿微柱的机械局限性，我们采用分层微弯液面制备技术开发了一种复合微执行器。图2a展示了该流程：先制备PEDOT:PSS微柱作为基底结构，再于其顶部沉积磁铁矿层。PEDOT:PSS作为一种以高导电性、机械柔性和光学透明性著称的导电聚合物，被选用于增强微执行器的柔性。首先使用分散液制备PEDOT:PSS结构，随后更换移液管，引入磁铁矿溶液沉积于PEDOT:PSS柱上。所得复合微柱结合PEDOT:PSS的柔性与磁铁矿的磁性，有望应用于软体机器人和磁控微驱动领域。

SEM图像显示所制备的磁铁矿-PEDOT:PSS复合微柱包含300μm的PEDOT:PSS层和200μm的磁铁矿层。界面放大SEM图像显示两种材料间具有良好的粘接界面。通过能量色散X射线光谱（EDS） mapping进一步确认了界面结构完整性：PEDOT:PSS层区域出现强碳信号，归因于聚合物中存在大量有机化合物；而连接处顶部则呈现强铁信号，表明该部分主要由铁和氧组成的磁铁矿构成。由于磁铁矿包裹了聚乙烯吡咯烷酮（PVP），在磁铁矿层也检测到较弱碳信号。通过清晰识别下层PEDOT:PSS中的聚合物碳成分和上层磁铁矿中的铁成分，元素分析验证了异质微柱的成功制备。

为评估磁铁矿-PEDOT:PSS结构的机械鲁棒性，我们进行了类似于图1d的机械柔性测试。复合微柱在玻璃移液管尖端施加的外力下仍保持结构完整，未被推破，且在移除外力后恢复原状。这一抗破碎特性和回弹能力明显源于PEDOT:PSS的柔性。此外，尽管上部磁铁矿部分被推动，两层仍牢固连接未分离，证实了稳定的键合。这些结果表明，PEDOT:PSS的引入显著提高了微柱的结构弹性，层间连接稳定保持，使磁铁矿-PEDOT:PSS微柱能够在外部环境移动中不受损坏地执行预期操作，适用于微执行器应用。

随后，我们将钕磁铁靠近微执行器，评估其在强外部磁场下的机械柔性、回弹性和响应性。如图3所示，磁铁矿-PEDOT:PSS复合微执行器表现出明显的弯曲运动，且无结构失效。随着磁铁靠近，微柱逐渐偏转，显示出强烈且可控的磁响应，即使在极大弯曲角度下也未断裂，突显了PEDOT:PSS层提供的机械鲁棒性。PEDOT:PSS的固有弹性在维持结构完整性方面起到关键作用，使微柱能够灵活承受大变形而不破裂。这表明复合结构有效减轻了机械应力，为动态环境中的可靠操作提供保障。此外，如支持信息Movie S3所示，移除磁场后，微执行器表现出高度形状恢复能力，几乎返回原始直立位置。这种可逆驱动行为对于需要重复弯曲和恢复循环的应用（如仿生软体机器人、微操纵系统和柔性MEMS设备）特别有利。

为探究所制备微执行器的驱动能力，我们设计了实验装置测量受控磁场下执行器的角位移（图4a）。将螺线管置于距微执行器500μm处，施加电压从0至24V变化以调节磁场强度。图4b展示了磁场施加前后微执行器的图像，通过图像定量分析微执行器柱状结构角度随磁场强度的变化。施加电压与执行器角位移之间的定量关系总结于图4c。执行器对施加电压呈现线性响应（R2=0.96），角位移为0.45°/V，表明驱动机制具有良好的控制性和可预测性。

为进一步评估微执行器的机械和磁稳定性，进行了循环加载测试：重复施加和释放磁场500次（图4d）。即使在重复磁驱动下，执行器仍保持初始位置，漂移可忽略，500次循环后仅偏差约1°。图4e总结了每50次循环场释放后执行器的位置恢复情况。此外，磁场引起的角位移在500次循环中保持高度一致，变化在约1°以内，证实了驱动响应的可重复性（图4f）。尽管微柱在连续循环中似乎出现轻微渐进倾斜，但在移除磁场后1小时内完全恢复至原始直立位置，表明复合结构具有优异的弹性恢复能力。

这种可逆驱动行为与观察到的线性响应相结合，表明所制备的微执行器能够在磁驱动系统中提供高精度和可重复的运动控制。这些发现突显了磁铁矿-PEDOT:PSS复合执行器在需要精确、非接触和可编程运动控制的应用中的潜力，例如微操纵、生物医学设备和软体机器人系统。结构灵活性与可调磁响应的结合，使该执行器成为集成到下一代软体微机器人平台的有力候选。

为展示执行器的概念验证应用，将磷化铟量子点（QDs）沉积于磁铁矿-PEDOT微柱尖端（图5a,b）。在磁驱动下，QD涂层执行器产生空间位移的发射光斑，通过CCD成像监测（图5c）。发射光根据执行器的角运动可逆地位移，证实该设备可作为磁可重构微尺度光源。这一结果表明执行器的角变形可直接转化为光学功能，暗示其在需要精确空间光控制的微系统中的应用潜力。

3 结论

本研究通过微弯液面蒸发技术成功制备了磁铁矿-PEDOT:PSS复合微柱，并证明了其作为磁驱动微执行器的潜力。三轴步进电机实现了这些结构的精确制备，通过可控沉积达到预期位置和高度。PEDOT:PSS的引入显著提高了执行器的机械柔性，表现为外部磁场下的可逆且鲁棒的驱动行为。实验结果证实所制备的微执行器对施加磁场呈现高度柔性运动。此外，QD涂层执行器展示了可控的光发射空间位移，突显了这些设备作为微尺度光源的潜力。未来研究中，集成多向电磁控制可实现执行器的可编程全向运动，进一步拓展其应用范围。鉴于其稳定的机械可逆性和柔性，磁铁矿-PEDOT:PSS异质结构在生物电子应用中也具有前景，例如可实现局部驱动和实时信号调制的植入式微电极。所展示的光发射控制表明其在需要精确光导向的微系统（如激光雷达或微光子设备）中的应用机会。这些发现为开发多功能、磁响应微执行器铺平道路，使其在下一代MEMS、软体机器人和生物医学工程中具有广泛应用。

4 实验部分

溶液制备

使用PEDOT:PSS水分散液（1.14 wt.%）作为弯液面引导3D聚合的原料。为创建磁活性结构，将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包覆的20nm磁铁矿纳米颗粒分散于水中。各溶液加载至微量移液管中用于顺序打印。

三维垂直排列簇的制备

通过集成三轴电机平台（MAX381）和配备CCD相机的20倍物镜（MY20X-804）组装定制弯液面引导打印系统。玻璃微量移液管（尖端直径20–40μm）由毛细管通过商用移液管拉制仪（P-1000）制备。PEDOT:PSS溶液通过注射器注入微量移液管。将PEDOT:PSS水溶液（3.0–4.0 wt.%）用去离子水稀释，稀释比0.4时微柱形成最稳定。打印开始时，将移液管尖端与硅片基底接触，形成局部弯液面。通过三轴步进电机精确控制提拉速度，保持于0.9 μm?1s，可稳定拉伸形成约300μm高的独立PEDOT:PSS微柱。完成聚合物微柱后，更换移液管，装入磁铁矿纳米颗粒墨水。重复相同弯液面引导过程，提拉速度4 μm?1s，可在PEDOT:PSS结构上直接打印出约200μm高的磁铁矿微柱。整个制备过程通过对准移液管轴线的CCD相机连续监测。

磁表征

为评估复合结构的磁化特性，将螺线管（JF0530B）置于距打印微柱500μm处。施加电压从0至24V，以2V为增量，产生可调磁场。记录磁铁矿-PEDOT:PSS混合微柱的实时磁响应。

SEM与EDS分析

使用场发射扫描电子显微镜（JSM-7900F）表征3D微柱的形态特征。同样进行能量色散X射线光谱（EDS）分析以验证元素组成，确认混合微柱中磁铁矿纳米颗粒的空间分布。