团队开发了可变形的胶体组件用于微尺度的目标货物输送

在自然界中，通常会发现结合软质和硬质材料的结构。这些结构负责生物系统的多种机械特性和功能。作为一个典型的例子，人体脊柱拥有交替堆叠的硬骨和软椎间盘，这是支撑人体同时保持身体灵活性的重要结构。

原则上，模仿自然界的软硬结构可以激发人造材料和设备的设计，例如执行器和机器人。然而，这些结构的实现极具挑战性，特别是在微观尺度上，材料集成和操纵变得极其不实用。

为了推进仿生微型材料的发展，香港大学化学系王玉峰博士领导的研究团队开发了一种创建微型上层结构的新方法，称为MicroSpine，它同时具有柔软和弹性的特性。模仿脊柱结构的硬质材料，可以充当具有变形特性的微执行器。这一突破发表在《科学进展》上，是通过胶体组装实现的，这是一个简单的过程，纳米粒子和微米粒子自发地组织成有序的空间图案。

许多生物有机体，从哺乳动物到节肢动物和微生物，都含有协同整合的软质和硬质成分的结构。这些结构以不同的长度存在，从微米到厘米，并解释了生物系统的特征机械功能。他们还刺激了人造材料和设备的创造，例如执行器和机器人，它们可以根据外部提示改变形状、移动或驱动。

尽管软硬结构在宏观尺度(毫米及以上)很容易制造，但在微观尺度(微米及以下)实现起来却困难得多。这是因为以较小的规模集成和操作机械上不同的组件变得越来越具有挑战性。传统的制造方法(例如光刻)在尝试使用自上而下的策略创建小规模组件时面临一些限制。例如，由于小规模制造工艺更加复杂并且需要更高的精度，因此可能会出现低产量，这会增加最终产品中出现缺陷和错误的风险。

为了应对这一挑战，王博士和他的团队采取了一种不同的方法，称为胶体组装。胶体是人类头发大小1/100的微小颗粒，可以由多种材料制成。如果设计得当，粒子可以相互作用，自发地组装成有序的上层结构。

作为一种自下而上的方法，胶体组装有利于制造微型结构，因为它可以精确控制从各种构建块创建所需结构，并具有更高的产量。然而，困难在于如何引导颗粒组装成所需的软硬结构。

通过使用脊柱作为设计基础，该团队发明了源自金属有机框架(MOF)的新颗粒，这是一种可以以高方向性和特异性组装的新兴材料。这些MOF颗粒也是硬质成分，可以与软液滴结合形成线性链。硬组件和软组件在链中交替放置，模仿脊柱结构，即MicroSpine。

“我们还引入了一种机制，当MicroSpine被加热或冷却时，链条的软成分可以膨胀和收缩，从而可以可逆地改变形状，”该论文的第一作者、博士生DengpingLyu解释道。D.香港大学化学系候选人。

使用MicroSpine系统，该团队还演示了选择性修改链条的软部件时的各种精确驱动模式。此外，这些链还用于封装和释放来宾对象，仅由温度控制。

这些功能的实现对于系统的未来发展具有重要意义，因为它可能导致创建能够执行复杂的微型任务的智能微型机器人，例如药物输送、局部传感和其他应用。高度均匀且结构精确的微型组件可用于创建更有效的药物输送系统或传感器，能够以高灵敏度和准确性检测特定分子。

研究团队认为，这项技术代表着向创建复杂的微型设备和机器迈出的重要一步。王博士表示：“如果你考虑一下汽车等现代机械，它们是由数万个不同的零件组装而成的。我们的目标是使用不同的胶体零件来实现相同水平的复杂性。”通过从大自然中汲取灵感，研究团队希望设计出更多的仿生系统，能够在微观尺度及更高尺度上执行复杂的任务。