曹富林,許立忠

(燕山大學(xué)，秦皇島 066004)

0 引 言

各種新材料技術(shù)、微納加工技術(shù)、傳統(tǒng)機(jī)械的學(xué)科交叉，為納機(jī)電系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱NEMS)微電機(jī)的發(fā)展注入了動(dòng)力。微電機(jī)可利用內(nèi)部化學(xué)燃料通過(guò)催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)；此外，尚可通過(guò)外部能量實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，可借助于磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、電場(chǎng)、光場(chǎng)以及多場(chǎng)混合等外場(chǎng)方式產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。微電機(jī)在生物醫(yī)學(xué)、航空航天以及通信工程中具有重要的應(yīng)用，特別是在生物領(lǐng)域的應(yīng)用尤為廣泛，可以實(shí)現(xiàn)藥物的定向投放，精密手術(shù)以及生物傳感等功能。

1987年,加州大學(xué)伯克利分校以硅為原材料，利用微加工技術(shù)制造出可轉(zhuǎn)動(dòng)微電機(jī)[1]，此后各種尺寸、性能和驅(qū)動(dòng)機(jī)制的新型微/納米電機(jī)不斷地被研制成功。微電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，例如旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)、穿梭和輸送等；通常由復(fù)合材料制成，例如硅基材料、聚合物以及合金等，尺寸范圍為微米級(jí)至納米級(jí)；形狀多樣，包括線狀、球狀以及管狀等。本文將按驅(qū)動(dòng)機(jī)制對(duì)微電機(jī)進(jìn)行分類，總結(jié)微電機(jī)的研究現(xiàn)狀并展望其發(fā)展前景，為微電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒。

1 微電機(jī)類型

1.1 磁驅(qū)動(dòng)微納米電機(jī)

磁驅(qū)動(dòng)微電機(jī)的動(dòng)力是由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)或者磁性材料提供的。與其他推動(dòng)機(jī)制相比，磁驅(qū)動(dòng)具有良好的生物相容性和對(duì)細(xì)胞無(wú)損的能量傳輸機(jī)制，是微納米電機(jī)最具前途的驅(qū)動(dòng)方法之一。因?yàn)槲㈦姍C(jī)的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)外部磁場(chǎng)控制的，故不需要任何燃料，并且具有輸出力大，輸入阻抗低，驅(qū)動(dòng)電壓小等特點(diǎn)。電磁式微電機(jī)通常由電導(dǎo)體或線圈系統(tǒng)，軟磁或硬磁材料以及絕緣和嵌入電介質(zhì)組成，目前已知的磁性材料主要包括鐵、鈷、鎳及其合金等。與其他材料相比，金屬鎳是微納米電機(jī)制造中應(yīng)用最為廣泛的，鎳可以通過(guò)微電鑄、蒸發(fā)鍍或者磁控濺射的方式獲得。微電機(jī)的運(yùn)動(dòng)取決于磁力的大小和方向，總體結(jié)構(gòu)尺寸通常在幾厘米的范圍內(nèi)，而執(zhí)行結(jié)構(gòu)在微米范圍內(nèi)。電磁式微電機(jī)按照運(yùn)動(dòng)輸出的形式可分為線性微電機(jī)和旋轉(zhuǎn)微電機(jī)。

2007年，德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)研制出第一代集成可變磁阻線性微電機(jī)，由定子極和移動(dòng)極兩部分組成，如圖1所示。其磁通量是由纏繞在定子磁極周圍的三維線圈在平面內(nèi)產(chǎn)生的，移動(dòng)梳形磁極在定子磁極之間，其兩側(cè)被電磁力吸引，移動(dòng)極產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)[2]。該微電機(jī)由紫外光刻、電鑄和注塑技術(shù)制造而成，整體外廓尺寸為10 mm×12 mm，梳齒間隙僅為100 μm，輸出力可達(dá)4 mN。2008年，布倫瑞克工業(yè)大學(xué)在線性微電機(jī)的基礎(chǔ)上提出一種旋轉(zhuǎn)步進(jìn)可變磁阻微電機(jī)，驅(qū)動(dòng)原理與線性微電機(jī)相似，同樣利用磁極對(duì)的相互吸引提供動(dòng)力，該電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)最低16.7 μm的微小步幅，最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到0.3 μN(yùn)·m[3]。

圖1 集成可變磁阻線性微電機(jī)[2]

2010年，Gao等[4]采用電化學(xué)沉積法制造出納米線微電機(jī)，首先通過(guò)微電鑄制造出由Au-Ag-Ni組成的納米線，繼而通過(guò)化學(xué)腐蝕去除部分銀，減小銀納米線的直徑，制造出一種鞭毛型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，通過(guò)外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微電機(jī)尾部的鎳旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)微電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)仿照細(xì)菌的螺旋運(yùn)動(dòng)方式，Berg H C等[5]成功將磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于微螺旋結(jié)構(gòu)。磁致驅(qū)動(dòng)螺旋微納米電機(jī)可適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，易于控制，在生命科學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出很大的潛力。2013年，Li等[6]采用模板輔助電沉積技術(shù)制造出直徑100 nm，長(zhǎng)度為600 nm的螺旋納米電機(jī)，如圖3所示，通過(guò)將Pd/Cu納米棒模板電沉積到納米多孔膜模板中，然后除去Cu，并用磁性Ni層電子束涂覆所得到的Pd納米片來(lái)制備Pd螺旋納米結(jié)構(gòu)，該方法具有制作效率高，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。近來(lái)，開(kāi)始有學(xué)者采用微生物作為模板應(yīng)用到微納米電機(jī)的制造中。2014年，Gao等[7]以一種植物纖維為材料，成功地制造出螺旋微電機(jī)，把植物的葉片切開(kāi)后平鋪到玻璃基底上，采用氣相沉積法使Ti和Ni沉積于螺旋植物纖維，基于Ni的磁性用外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2015年，Zhang等[8]以鏈霉菌自身結(jié)構(gòu)為模板，在鏈霉菌表面涂抹一層鐵前體溶液，通過(guò)熱處理工藝獲得與鏈霉菌結(jié)構(gòu)尺寸相近的多孔螺旋電機(jī)。Janus粒子具有兩個(gè)性質(zhì)不同的表面，因此受到眾多學(xué)者的青睞[9]。2016年，Lee等[10]通過(guò)氣相沉積金屬鎳，獲得了具有磁性的Janus粒子，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，能夠?qū)anus粒子的運(yùn)動(dòng)加以控制。與納米線類似，管狀微納米電機(jī)具有長(zhǎng)度形狀，但其特征在于具有特定內(nèi)部和外部部分的管狀結(jié)構(gòu)。

圖2 納米線微電機(jī)及驅(qū)動(dòng)示意圖[4]

(a)

(b)

(c)

磁致驅(qū)動(dòng)作為一種不需要任何燃料的驅(qū)動(dòng)方法，是用于驅(qū)動(dòng)微納米電機(jī)的重要技術(shù)手段，已經(jīng)引起研究者的廣泛關(guān)注。當(dāng)前的磁致驅(qū)動(dòng)微納米電機(jī)的研究仍處于初級(jí)階段，但很多學(xué)者逐漸把磁驅(qū)微納米電機(jī)應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)，例如精確靶向藥物、細(xì)胞運(yùn)輸以及微創(chuàng)手術(shù)等[11]。

1.2 超聲波驅(qū)動(dòng)微納米電機(jī)

超聲波具有易于控制及良好的生物相容性等特點(diǎn)，能夠保證微納米電機(jī)在黏度較高的液體環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。2012年，Mallouk等[12]首次提出并實(shí)現(xiàn)了金屬納米線的超聲波驅(qū)動(dòng)，采用模板輔助電沉積法制備了Au-Ru雙金屬納米線(長(zhǎng)2 μm，直徑330 nm)，可以實(shí)現(xiàn)200 μm/s的軸向隨機(jī)運(yùn)動(dòng)；該小組還試驗(yàn)性地探討了納米線電機(jī)材料不對(duì)稱性的附加影響，以及對(duì)聲學(xué)推進(jìn)的形狀和材料依賴性的研究。2014年，García-Gradilla等[13]利用電沉積先后沉積金、鎳、金和金銀，并通過(guò)腐蝕掉部分銀的方式獲得了多孔納米棒，并在超聲波驅(qū)動(dòng)和磁場(chǎng)的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)癌細(xì)胞的靶向藥物殺死。超聲波驅(qū)動(dòng)的管式微型電機(jī)幾乎與納米線微型電機(jī)同時(shí)發(fā)展起來(lái)。2014年，Xu等[14]基于超聲波氣泡聚集效應(yīng)，將其應(yīng)用于管狀微電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，證明出超聲波能量與微電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度之間的相關(guān)性，驅(qū)動(dòng)原理如圖4所示。

圖4 超聲波驅(qū)動(dòng)管狀微電機(jī) [14]

與磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方式相比，超聲波驅(qū)動(dòng)方式更易于實(shí)現(xiàn)，不需要在微電機(jī)制造中加入磁性材料，這使得超聲波驅(qū)動(dòng)比磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍更加廣泛。但是，微電機(jī)的聲學(xué)驅(qū)動(dòng)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些不足，金屬納米線的快速運(yùn)動(dòng)只出現(xiàn)在某些特定位置，而超聲波驅(qū)動(dòng)微型管狀電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間短，這些特性均不利于超聲波微電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。

1.3 電驅(qū)動(dòng)微納米電機(jī)

電驅(qū)動(dòng)微納米電機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要是在溶液環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的，必須通過(guò)施加外部電場(chǎng)操控微納米顆粒的運(yùn)動(dòng)。電驅(qū)動(dòng)主要包括低頻交流電電滲透驅(qū)動(dòng)、電鑷驅(qū)動(dòng)和電解水驅(qū)動(dòng)等不同的方式。Papadakis等[15]與Meyer等[16]以碳納米管為軸承做了更加深入的研究。2014年，F(xiàn)an等[17]將電操縱的辦法，成功應(yīng)用于對(duì)金屬納米線的驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。該電機(jī)由一個(gè)直徑300 nm的納米線轉(zhuǎn)子和鐵磁軸承組成，通過(guò)施加外部電場(chǎng)，能夠驅(qū)動(dòng)納米線轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；2015年，Sharma等[18]利用非對(duì)稱極化二極管和溶液中的離子電荷產(chǎn)生力矩，成功驅(qū)動(dòng)微型顆粒。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

雖然電驅(qū)動(dòng)微電機(jī)的研究已經(jīng)取得了一些成果，但是由于驅(qū)動(dòng)方式為電場(chǎng)，較強(qiáng)的電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致溶液中其他物質(zhì)發(fā)生電解反應(yīng)，限制了電驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用。

1.4 光驅(qū)動(dòng)微納米電機(jī)

光能作為一種在自然界廣泛存在的能源，可用于實(shí)現(xiàn)微納米電機(jī)的遠(yuǎn)程精確操縱。以光作為能源的驅(qū)動(dòng)類型可分為以下三類：光鑷驅(qū)動(dòng)、光熱驅(qū)動(dòng)以及光催化驅(qū)動(dòng)。

光鑷的驅(qū)動(dòng)原理源自于光的力效應(yīng)，1986年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ashkin等[19]率先利用光鑷實(shí)現(xiàn)了對(duì)微顆粒的操控。目前，光鑷已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理和生物研究中。光鑷能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)或者多個(gè)微納米顆粒的同時(shí)操作。光鑷能夠?qū)崿F(xiàn)微型顆粒在三維空間內(nèi)的自由移動(dòng)[20]，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體納米線、聚乙烯微球、金納米線等微納米尺度物體的定向移動(dòng)[21-25]。光鑷操控具有相當(dāng)高的精度，在微納米級(jí)的顆?？刂疲?xì)胞級(jí)的DNA治療等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值[26]。

(a)

(b)

(c)

光誘導(dǎo)的熱驅(qū)動(dòng)具有較高的驅(qū)動(dòng)效率，原理是基于光致顆粒表面溫度梯度差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。Qian等[27]應(yīng)用該種驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)雙面球電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，在光能的作用下，Au/PS Janus球的Au面受光照作用產(chǎn)生溫升，使該球表面形成溫度梯度，實(shí)現(xiàn)周圍聚乙烯熒光顆粒的不均勻分布，從而引發(fā)微球的熱流方向。2016年，Maggi等[28]將光熱驅(qū)動(dòng)用于非對(duì)稱形狀的微米轉(zhuǎn)子，該微米電機(jī)通過(guò)光刻模板技術(shù)制造，外徑8 μm，轉(zhuǎn)速300 r/min。

光催化的致動(dòng)原理為通過(guò)光照催化化學(xué)反應(yīng)發(fā)生為微納米電機(jī)的運(yùn)動(dòng)提供能量。2015年，Guan等[29]利用TiO2紫外線照射下過(guò)氧化氫化學(xué)分解產(chǎn)生氫氣和氧氣的特性，實(shí)現(xiàn)了TiO2微管在過(guò)氧化氫溶液中的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度改變微管的運(yùn)動(dòng)速度；He等[30]基于近紅外光可控氣泡驅(qū)動(dòng)的方式成功驅(qū)動(dòng)了Janus粒子，在光照下Pt殼吸收光能產(chǎn)生溫升，進(jìn)而形成溫度梯度，增強(qiáng)化學(xué)催化提高納米電機(jī)運(yùn)行速度，無(wú)光源照射時(shí)Janus球納米電機(jī)隨即失去動(dòng)力。Ren等[31]基于TiO2光解水產(chǎn)生氫氣的化學(xué)原理，以氫氣為動(dòng)力成功驅(qū)動(dòng)了TiO2/Au Janus球納米電機(jī)，增強(qiáng)光照強(qiáng)度后能夠明顯提升電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。

由于光能的易于獲得性，且光驅(qū)動(dòng)能夠保證微電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)動(dòng)精度，已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)微納米粒子的常見(jiàn)方式。但光驅(qū)動(dòng)同樣面臨著一些挑戰(zhàn)，光驅(qū)動(dòng)需要一定的透明度，因此在活體內(nèi)的顆粒光驅(qū)動(dòng)受到了限制，目前的光催化驅(qū)動(dòng)的微納米顆粒集中在體外，光催化驅(qū)動(dòng)的下一步發(fā)展應(yīng)朝向生物方面，如精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和體內(nèi)研究。

2 應(yīng)用及研究趨勢(shì)

外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微電機(jī)可以在生物體內(nèi)工作，能夠克服化學(xué)驅(qū)動(dòng)中化學(xué)物質(zhì)對(duì)生物體的損害。磁、聲、電、光等均有較快的響應(yīng)速度，因此，為外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微納米電機(jī)提供了在微加工、物質(zhì)運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)及環(huán)境領(lǐng)域等方面廣泛應(yīng)用的可能性。

(1)微納米加工領(lǐng)域。當(dāng)前主要的微納米結(jié)構(gòu)加工主要還是借助于光刻和金屬沉積方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，微加工設(shè)備都非常昂貴，嚴(yán)重制約了微納米加工技術(shù)的發(fā)展。目前，已有學(xué)者利用光鑷控制微球直寫納米圖案，螺旋微納米電機(jī)也成功應(yīng)用于金螺旋微納米結(jié)構(gòu)的加工[32]。因此，為微納米電機(jī)提供了一種低成本的微納米結(jié)構(gòu)加工方式，未來(lái)可能會(huì)運(yùn)用微納米電機(jī)實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)的加工。

(2)靶向藥物運(yùn)輸。微電機(jī)能夠在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的藥物運(yùn)輸，基于這種方式的藥物投送針對(duì)性強(qiáng)且效率高。近年，研究者報(bào)道了各類微電機(jī)在藥物運(yùn)載方面的應(yīng)用[33-35]。雖然目前借助于微電機(jī)的藥物運(yùn)輸集中在體外，但是未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)微電機(jī)在活體內(nèi)的藥物運(yùn)輸，尤其是以磁場(chǎng)超聲波為驅(qū)動(dòng)源的微電機(jī)，具有良好的生物相容性，可以提供將抗癌藥物轉(zhuǎn)移運(yùn)輸至癌細(xì)胞處并成功殺死癌細(xì)胞的可能性。

(3)納米手術(shù)。在微納米電機(jī)的蓬勃發(fā)展背景下，人們已經(jīng)看到了微納米電機(jī)在納米精準(zhǔn)手術(shù)方面的應(yīng)用價(jià)值，Kagan等[36]研制的基于超聲驅(qū)動(dòng)方式的微管狀電機(jī)，已經(jīng)成功應(yīng)用于對(duì)生物組織的穿透。但是，目前微電機(jī)在手術(shù)方面的應(yīng)用集中在細(xì)胞及組織方面，距離真正在生物體內(nèi)的應(yīng)用還有一段距離，未來(lái)微電機(jī)的研究將會(huì)集中在如何將其應(yīng)用于生物體體內(nèi)。

(4)環(huán)境領(lǐng)域。微納米電機(jī)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在水體凈化方面，用來(lái)吸附水體中的污染物，Srivastava等[37]將微米管狀電機(jī)成功應(yīng)用于水體中硝基芳烴污染物的降解，對(duì)水體具有良好的凈化效果。

3 總結(jié)和展望

外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)為微納米電機(jī)提供了在生物體內(nèi)工作的可能，在微納米加工、物質(zhì)運(yùn)輸、生命科學(xué)以及環(huán)境治理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文按照磁、聲、電、光等四種常見(jiàn)的外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)微電機(jī)進(jìn)行了綜述，對(duì)各類電機(jī)的制造方法、工作原理以及實(shí)際應(yīng)用等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。雖然微電機(jī)在諸多領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但是外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微電機(jī)仍舊存在一些問(wèn)題。微電機(jī)多采用重金屬制成，可能對(duì)生物細(xì)胞造成損傷，無(wú)法在生物領(lǐng)域?qū)嵱没?。?dāng)前微電機(jī)的研究仍處于初級(jí)階段，未來(lái)智能化的、多功能的微納米電機(jī)將會(huì)是研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，隨著研究者對(duì)這一前沿領(lǐng)域的持續(xù)關(guān)注，微納米電機(jī)將會(huì)對(duì)各相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。