他叫王宏強(qiáng)，目前在南方科技大學(xué)擔(dān)任副教授。其本碩均畢業(yè)于C9高校西安交通大學(xué)，隨后到東京大學(xué)讀博。接著，又在美國哈佛大學(xué)做了三年的博士后研究。2018年秋，在外留學(xué)7年之后回國，目前任職于南科大機(jī)械與能源工程系。

機(jī)器人，是其各個(gè)成果的核心詞，同時(shí)伴以“柔性”、“微型”、“醫(yī)療”、“仿生”等關(guān)鍵詞。此前，他曾研發(fā)出超薄柔性攀爬機(jī)器人、蜜蜂飛行機(jī)器等代表成果。

而前不久，他又研發(fā)出了一款軟體藤蔓機(jī)器人。其中運(yùn)用到了一項(xiàng)自研技術(shù)——軟脫模技術(shù)。

其具備加工流程簡單、所需材料易得、無需溶劑參與等優(yōu)勢，具有較好的普適性。在機(jī)器人工程和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，比如面向介入醫(yī)療的微型軟體醫(yī)療機(jī)器人、用于人體內(nèi)外健康檢測的可穿戴式傳感器和天線，以及各種微流道芯片和器官芯片等，有著廣泛的應(yīng)用前景。

自然界中植物動(dòng)物種類繁多、多姿多彩，但是它們有著一個(gè)非常重要的特點(diǎn)，即身體構(gòu)造上都含有微細(xì)通道。

例如，人體中大大小小的血管，是我們賴以生存必不可少的器官。植物中也類似，需要導(dǎo)管輸運(yùn)養(yǎng)分。

微型通道一般存在形狀復(fù)雜、尺度分布廣等特點(diǎn)，對于眾多生物的生存有著極其重要的意義。

近年來，微通道逐漸成為多個(gè)前沿領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。比如，微型軟體機(jī)器人需要微型腔道來分布應(yīng)力應(yīng)變實(shí)現(xiàn)變形；生物研究的前沿——器官芯片和微流道芯片等，更是依賴不同形狀大小的微通道進(jìn)行流體的操控；而在可穿戴設(shè)備和柔性通訊等領(lǐng)域里，微型通道也有著不可或缺的地位。

然而，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微小通道結(jié)構(gòu)的制作很難。因此，近幾十年來這一直是多領(lǐng)域眾多科學(xué)家競相攻關(guān)的重點(diǎn)和努力的方向。

圖 | 軟脫模技術(shù)的概念圖（來源：Nature Communications）

目前，研究者們使用的主要是使用軟光刻技術(shù)（soft lithography），通過液態(tài)的硅膠材料復(fù)刻模具上的微槽結(jié)構(gòu)，再封上一層硅膠層來形成通道結(jié)構(gòu)。

但是，軟光刻的加工需要潔凈間、工藝復(fù)雜，而且只適用于制備二維方形通道，很難實(shí)現(xiàn)不同截面的、三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微通道。

因此，近年來，領(lǐng)域內(nèi)新興了不同的微通道加工工藝，主要分成以下三類：溶解模板法、基體溶脹法、和直接 3D 打印法。

但是，這三種方法均不完美。具體來說：

溶解模板法比較耗時(shí)，而且只適用于特定材料，比如丙酮只能溶解丙烯腈丁二烯苯乙烯；

基體溶脹法需要化學(xué)試劑的參與，比如用丙酮溶脹聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane），由于會(huì)有化學(xué)試劑殘留，因此不適合用于生物醫(yī)療領(lǐng)域例如器官芯片等；

直接 3D 打印法雖然可以打印復(fù)雜通道，但存在可擴(kuò)展性差、打印精度不高的問題，而粗糙的表面會(huì)增大流體作用的阻力，降低軟體驅(qū)動(dòng)器的耐氣壓能力等，也不能滿足現(xiàn)在復(fù)雜軟體器件的功能需求。

因此，當(dāng)下亟需一種新型微通道制備工藝，來實(shí)現(xiàn)光滑、復(fù)雜，高長徑比的通道結(jié)構(gòu)的的加工。

被世界頂級期刊看好的方向

在高分子纖維受外力下頸縮的現(xiàn)象啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種簡單、快速、無需溶劑參與、并且可以制備復(fù)雜高長徑比的微型通道的方法——軟脫模技術(shù)（soft demoulding）。

區(qū)別于傳統(tǒng)的將硬質(zhì)模板埋入基體材料再抽出的方法，其將可行變的軟質(zhì)模板引入到了脫模過程中。

在受力情況下，軟質(zhì)模板的截面會(huì)變細(xì)，進(jìn)而讓軟質(zhì)模板的脫模過程變成一個(gè)、對模板形狀長度不再敏感的剝離過程，借此極大降低了模板去除過程中所需的外力，適用于在多種軟質(zhì)基體材料，可用于制備復(fù)雜的、高長徑比的微型通道，并在軟體機(jī)器人、可穿戴式傳感器、器官芯片等領(lǐng)域具備應(yīng)用潛力。

近日，相關(guān)論文以《面向復(fù)雜高長徑比微通道的自收縮軟脫模研究》（Self-shrinking soft demoulding for complex high-aspect-ratio microchannels）為題發(fā)表在Nature Communications上。王宏強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的博士研究生范東亮擔(dān)任第一作者，王宏強(qiáng)、清華-伯克利深圳學(xué)院特別研究員秦培武擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）

投稿過程中，一位審稿人表示該制備技術(shù)非常具備創(chuàng)新性。另一位審稿人指出，軟脫模技術(shù)可以制備出相當(dāng)復(fù)雜的圓形管道，而且其長徑比遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的制備工藝，預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作會(huì)引起來自不同領(lǐng)域研究微流控的學(xué)者的興趣和關(guān)注。

事實(shí)上在2021年9月，該團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)論文投稿到Nature主刊，但是不久之后該期刊發(fā)表了一篇相似的論文，對方也提出了一種制備管狀軟體結(jié)構(gòu)的方法，并將該方法應(yīng)用于軟體機(jī)器人領(lǐng)域，而且也做了一個(gè)和本次論文很像的軟體藤蔓機(jī)器人。

該團(tuán)隊(duì)表示：“可能主題相近，所以Nature編輯沒有給我們送審，不過編輯肯定了我們方法的創(chuàng)新性，推薦投稿到《自然·通訊》，并且可以直接送審。我們當(dāng)時(shí)覺得挺惋惜的，但同時(shí)也覺得慶幸，因?yàn)槲覀冞x定的研究方向也被世界頂級期刊所看好。”

以蛇蛻皮為研發(fā)靈感，為探索優(yōu)化參數(shù)不斷試制超過100多次

據(jù)介紹，從研究人員初步產(chǎn)生想法，到論文最終發(fā)表歷時(shí)三年有余。期間，為了探索優(yōu)化參數(shù)，試制次數(shù)超過100多次，回復(fù)審稿則歷時(shí)半年左右。

關(guān)于該項(xiàng)目的最初想法，來源于課題組的需求、以及從自然界中獲得的靈感。柔性驅(qū)動(dòng)是該團(tuán)隊(duì)的主要研究方向，其中柔性電極和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)都需要微型通道。

但是，要想把通道做小，本身非常困難、受限也非常大，如果再做成具有空間復(fù)雜度的形狀和截面則更為困難，這曾讓他們倍感苦惱。

后來，一則蛇蛻皮的視頻帶來了靈感：蛇通過收縮自身的肌肉，在粗糙的地面摩擦，來逐步從舊殼中脫離出來。并且，蛻下的蛇皮竟然還能保持原來的形狀和細(xì)微的鱗片形貌特征。

而橡皮筋在外力情況下也會(huì)存在收縮截面現(xiàn)象，因此課題組考慮把橡皮筋埋入硅膠材料再將其拔出，借此模仿蛇蛻皮的過程。

確定初步驗(yàn)證方案可行之后，該團(tuán)隊(duì)對軟脫模技術(shù)建立了相應(yīng)的理論模型，建立過程中，他們將模型和軟脫模以及硬脫模做出了著重性區(qū)別。

在硬脫模過程中，模板所受的是剪切力，其所受力的大小會(huì)受到長度的影響，長度越大受力越大。

而在軟脫模過程中，軟質(zhì)模板在受力之下會(huì)出現(xiàn)收縮進(jìn)而變細(xì)，這時(shí)就能將剪切力轉(zhuǎn)換成剝離力。期間，不會(huì)受到長度的影響，可用于制備高長徑比的微型通道。

而通過測試四種不同材料（尼龍線、銅絲、熱熔膠纖維，聚氨酯纖維），所提出模型的正確性也得到了驗(yàn)證。

確認(rèn)理論模型之后，針對軟質(zhì)模板的材料選擇和制備工藝，課題組展開了進(jìn)一步的研究。之前選用的是橡皮筋，其和硅膠材料（PDMS）的接觸部分并不是固化的，這會(huì)影響通道的結(jié)構(gòu)精度。

而且，從市面上買來的橡皮筋只有固定的直徑可選，這嚴(yán)重限制了模板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。因此，研究人員通過文獻(xiàn)檢索和討論，決定選用設(shè)備簡單、且能制備可控直徑的熱拔法（thermal drawing），以此來制備軟質(zhì)模板結(jié)構(gòu)。

其中，在模板材料選用熱熔膠和熱塑性聚氨酯，它們具備模量低、伸長量高等優(yōu)勢。通過使用控制拔出速率、加熱溫度、模板后處理、模具組裝等方法，制備出了錐形、螺旋形、雙螺旋形、樹狀、以及馬鞍面形等軟模板結(jié)構(gòu)。

而基于軟脫模技術(shù)，上述制備出的模板結(jié)構(gòu)均可通過軟脫模技術(shù)，加工出相應(yīng)的微管道模型。其中，借助這一軟脫模技術(shù)該團(tuán)隊(duì)制備出了直徑最小為10 微米和長徑比最高為6000的微管道。

圖 | 軟脫模制備出的各種微管道模型（來源：Nature Communications）

為了證明軟脫模技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究人員先將該技術(shù)用于制備微型軟體機(jī)器人和可穿戴傳感器。通過該技術(shù)，課題組制作了一個(gè)具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的、直徑100微米的微型通道作為氣壓驅(qū)動(dòng)通道，充氣時(shí)可以像蟲子一般的蜷曲。

另外一個(gè)直徑150微米、長徑比1600的具有超長螺旋結(jié)構(gòu)的氣腔，在充氣時(shí)能模仿藤蔓的卷曲行為，可用于醫(yī)療或狹小場景下的檢測等。

而一個(gè)具有圓形截面的細(xì)長通道，通過注入導(dǎo)電液體能形成可穿戴式傳感器，以用于人體運(yùn)動(dòng)檢測。

圖 | 軟脫模技術(shù)的各種應(yīng)用：包括仿蟲型微型軟體機(jī)器人、軟體微型天線、可穿戴傳感器和錐形血管模型（來源：Nature Communications）

此外，還有一個(gè)具有變直徑的三維螺旋結(jié)構(gòu)的通道，通過注入液態(tài)合金即可形成微型軟體天線，可用于可穿戴設(shè)備的信號(hào)傳輸。

為了展現(xiàn)軟脫模技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)與秦培武副教授課題組合作，將軟脫模技術(shù)應(yīng)用于血管模型的制備，并驗(yàn)證了殘余溶劑對血管模型中細(xì)胞生長的負(fù)面影響，證明該技術(shù)具備良好的生物相容性。

未來，研究人員計(jì)劃采用新型的模板材料，比如具有自潤滑特性、超高拉伸量的水凝膠、以及新型軟質(zhì)模板加工工藝，來實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、個(gè)性化、定制化的通道結(jié)構(gòu)的加工制備。

并且，其還將與不同領(lǐng)域的學(xué)者合作，將該技術(shù)應(yīng)用于更加具體的場景，例如用于運(yùn)動(dòng)檢測和軟體機(jī)器人里面的可穿戴傳感器。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32859-z

審核編輯 ：李倩