植物擁有非常豐富和復雜的脈管系統，通過它們的組織輸送水分和養分以維持正常的新陳代謝。例如，在植物進行光合作用的主要器官——葉子中，葉脈可以將光合作用產生的營養物質輸送到植物體的其他部位，同時還可以將水分輸送到整個小葉進行蒸騰。這種脈管系統啟發我們開發具有嵌入式流體通道的人工系統，例如仿生微流控器件。

此外，植物已經進化出對環境變化做出反應的能力，即使在不斷變化的自然環境中，它們的脈管系統也能更健康地發揮作用。其中，植物的感性運動是使它們的形狀適應光線、溫度和濕度等環境變化的最快方式。然而，在合成微流控系統中很少提及這種與環境相互作用的類植物能力。

賦予微流控系統這些刺激-響應的形狀變化功能，可以為具有動態仿生設計或環境適應性的復雜、多功能或智能流體系統開發鋪平道路。

據麥姆斯咨詢報道，近期，香港大學機械工程系岑浩璋團隊在植物脈管系統的啟發下，進行了針對刺激-響應變形微流控系統的研究，并將研究結果發表在SCIENCE ADVANCES期刊上。

目前，微流控系統主要依靠鏈接或板載電子器件和計算機編程來響應環境。這可能導致系統受限、復雜且笨重。相比之下，植物小葉薄、輕且靈活，但是卻承載了可作為流體輸送微通道的葉脈和刺激-響應執行器的葉枕。此外，隨著感性運動，小葉傾向于折疊或展開成具有特定用途的規則幾何形狀。

限制刺激-響應變形微流控系統發展的兩個主要方面如下：首先，用于制造微流控器件的主流材料是不具有環境響應性的惰性材料，例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；其次，微流控器件的設計通常基于流體流動，而不是微流控器件的整體形狀而設計成嵌入式通道形狀。因此，大多數常見的微流控器件沒有表現出對環境的響應性和目標形狀的變化，更不用說類似于樹葉中的感性運動了。

為了解決上述問題，獲得感性運動的能力，微流控器件必須在器件級別表現出刺激響應能力，并且器件的整體形狀必須是可編程的。這些微流控器件將實現以前不可行的應用：例如，由此產生的環境適應性光微反應器，可以根據天氣變化自我調節光合轉化率。而要實現預設的整體三維（3D）變形，必須專門設計器件的尺寸、嵌入器件的響應材料的位置以及響應的目標操作。

結合古老的折紙藝術，所需的3D結構不僅可以通過2D處理技術從前體構建，還可以通過折疊和展開，在完全展開的2D平面和緊湊的3D形式之間相互轉換。因此，通過將響應材料融合到有折紙幾何形狀的微流控器件設計中，它可以基于預設結構，通過刺激-觸發響應在2D和3D狀態之間轉換。

在此基礎上，岑浩璋團隊通過將刺激-響應材料與薄且可折疊的微流控芯片集成，開發了一種可變形的微流控芯片，并將這種方法命名為“變形折紙微流控系統（TransfOrigami microfluidics, TOM）”。整個器件可以通過沿著預設的折紙折疊變形來響應溫度、濕度和光輻照度的變化。

由植物啟發的變形折紙微流控系統

當外部條件有利于光反應時，反饋會導致光合轉化增強，反之亦然。作為同類研究中的第一個刺激-響應變形微系統，TOM將激發其在需要環境適應的能源、機器人或生物醫學領域的應用，例如人工血管網絡或具有自適應節奏運動的柔性電子器件。

總體來說，岑浩璋團隊針對TOM的研究具有一定的突破性，同時還存在亟待解決的問題。首先，變形微流控器件的重新配置和調節可以從2D轉換為3D或在不同的3D結構之間轉換。不同3D結構之間的動態切換增加了時間維度，使得器件成為事實上的4D結構。在4D微流控器件內部，流體行為的調節是通過重構具有某些特性的微通道來進行的。例如，方向、混合效率和流速。當流體與外部環境相互作用時，例如在光合作用反應期間，這種流體調節會進一步放大相互作用的效果。這一系列重新配置的觸發因素是環境中刺激的變化。

此外，通過原位摻雜和表面改性制造的柔性器件是一體化系統。這不僅避免了在組裝過程中可能出現的錯誤和匹配問題，而且避免了在使用過程中由于不同組件的界面不穩定而導致的潛在脫離，最終增加了整個系統的魯棒性。

然而，目前4D打印微流控這一類似于可變形微流控的概念雖已被提出，但它依賴于具有刺激-響應材料的3D打印技術，導致有兩個方面的問題阻礙了其發展：（1）大多數使用傳統軟光刻技術開發的響應材料缺乏一套成熟且兼容的微流控微加工技術；（2）4D打印仍處于起步階段，尚未具備與軟光刻技術在分辨率上兼容的變形微管。

此外，當前TOM的響應速度受到水凝膠活性層和作為被動層的厚PDMS微流控層的緩慢膨脹或收縮速率的阻礙。這些可以通過開發先進的制造技術并將高性能響應組件整合到材料中來改進。因此，TOM的進一步優化將通過：（1）引入krigami結構等替代方法來設計3D結構；（2）選擇具有更高光熱效率和更快響應的執行器，例如將金納米棒與液晶彈性體耦合；（3）在TOM中制作更厚的有源層和更薄的無源層。

論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo1719

審核編輯 ：李倩