南京大学余林蔚Nat. Commun.：纳米线塑形微纳机械手仿生设计及操控最新研究成果

近年来，微纳仿生机器人在精准疾病诊断、药物研发递送以及MEMS/NEMS等前沿应用领域受到越来越多的研究关注。其中，开发具有高度灵活性和精准可操作性的微纳仿生机器手（Bionic gripper robotics）结构被认为是实现精确递送、微观组装和功能调控等核心功能不可或缺的关键技术能力。然而，目前基于微加工或组装工艺制备的机械手通常尺寸较大（毫米~厘米量级），传统静电、电热或应力驱动方式依赖较高驱动电压且制动时间较长，不利于实现更高精度、多维度和更为灵活的操控需求。

针对此技术挑战，南京大学余林蔚教授团队提出了一种基于超细晶硅纳米线（nanowires, NWs）定位生长和形貌编程能力实现的极简仿生机械手可靠制备和仿生微纳机械手操控应用策略。首先，基于课题组自主创新的（In-plane solid-liquid-solid, IPSLS）纳米线生长模式 [1-5]，引导生长具有反嵌套Ω环形状的超长、精细（直径~100 nm）晶硅纳米线；其次，将之组装成为悬空导电沟道，在磁场背景下通过可精确调控的驱动电流，产生由纳米线形貌定向的洛伦兹力，激励微纳机械手实现一些列高灵活、大振幅和多维度的三维夹取、翻转、扭动和释放等类手指（finger-like）仿生操作能力。由于采用超细纳米线作为机械手支架，并融合了IPSLS纳米线独特的柔性形貌设计优势，此微纳机械手可以在较低的交流驱动电流下实现多模态高频振荡（甚至谐振），对于克服在微观世界中普遍存在的粘性范德华力，实现可靠、精准地载荷释放，提供了十分有利的调控新维度。最后，基于机械手的“双手协同”还成功地展示了对micro-LED单元的准确拾取、在线测试和定位安装。此“单纳米线塑形”（single nanowire morphing）极简微纳制备和洛伦兹力驱动策略将为快速设计、定形和验证各类新颖仿生机器提供一个极其方便、灵活和强大的制备应用平台，并有望在微生物/细胞操纵、基因工程、精密组装和高灵敏探测等前沿领域得到广阔的应用。

此工作以“Ultracompact single-nanowire-morphed grippers driven by vectorial Lorentz forces for dexterous robotic manipulations”为题近期发表于《Nature Communications》。其中，南京大学电子科学与工程学院博士生严江同学为论文第一作者，余林蔚教授和刘宗光副研究员为论文通讯作者。此工作的开展得到了南京大学陈坤基教授、徐骏教授、施毅教授和王军转教授的支持和指导，以及国家自然科学基金重大研究计划重点项目、面上和青年项目的资助。

【图文导读】

图1单纳米线塑形设计思路及仿生机械手“定位、定形”引导生长、制备和组装流程。

图2 洛伦兹力驱动下微纳机械手“抓合-释放”操控。

图3微纳机械手精准拾取、多维操作和振动辅助负载释放。

图4 微纳机械手“双手协同”操作实现微球传递以及微型LED点亮。

论文信息：Jiang Yan, Ying Zhang, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Jun Xu, Linwei Yu*. Ultracompact single-nanowire-morphed grippers driven by vectorial Lorentz forces for dexterous robotic manipulations.https://www.nature.com/articles/s41467-023-39524-z

相关前期工作:

1.Highly Stretchable High-Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors Integrated on Elastomer Substrates. Xiaopan Song, Ting Zhang, Lei Wu, Ruijin Hu, Wentao Qian, Zongguang Liu,* Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, and Linwei Yu*.Advanced Science. 2022, 2105623.

2.Designable Integration of Silicide Nanowire Springs as Ultra-Compact and Stretchable Electronic Interconnections. Rongrong Yuan, Wentao Qian, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Jun Xu, Kunji Chen, Linwei Yu*.Small, 2021, 2104690.

3.Planar Growth, Integration, and Applications of Semiconducting Nanowires. Ying Sun, Taige Dong, Linwei Yu,* Jun Xu,* Kunji Chen,Advanced Materials,2020, 32: 1903945.

4.Unprecedented Uniform 3D Growth Integration of 10-Layer Stacked Si Nanowires on Tightly Confined Sidewall Grooves. Ruijin Hu, Shun Xu, Junzhuan Wang,* Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, and Linwei Yu*.Nano Letters, 2020, 20 (10): 7489-7497.

5.Monolithic Integration of Silicon Nanowire Networks as a Soft Wafer for Highly Stretchable and Transparent Electronics. Taige Dong, Ying Sun, Zhimin Zhu, Xiaoxiang Wu, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, and Linwei Yu*.Nano Letters, 2019, 19(9): 6235-6243.

余林蔚教授课题组简介：https://ese.nju.edu.cn/yly_24153/list.htm

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