一种适用于流体界面上微小物体组装和重构的方法及其应用与流程

[0001]本发明涉及微小物体组装重构领域，具体的，涉及一种利用执行器在液面上的光致形状变化使微小物体周边液体界面产生形变，利用液体界面形变诱导产生的毛细作用力来调控多个微小物体相互之间吸引或排斥力，从而实现微小物体的程序化组装和重构的方法。背景技术：[0002]在液体表面上可编程组装微小物体在许多方面都是至关重要的，从相关的功能材料和器件的制造到对生物系统的基本理解都与其息息相关。[0003]微小物体和液面之间的毛细作用会引起界面畸变并产生毛细作用力来吸引或排斥附近的物体，这提供了一种强大的手段来组装具有各种几何形状和大小的物体。然而，由于物体的毛细相互作用是由其表面的化学成分和几何结构决定的，故在过往的大多数研究中，毛细相互作用通常都被用来组装固定形状的物体，一旦物体被放置在液体表面就会发生设定条件的自组装，而最终组装形状由分散物体的初始位置决定。[0004]到目前为止，由于难以动态调整分散物体之间的毛细相互作用，实现浮动系统的可编程组装和重构仍然是一个挑战。最近，人们致力于开发程序化毛细作用力组装技术，使用磁性微工艺或温度响应的三维(3d)形状的水凝胶的梯度膨胀。然而，使用磁性微工艺会全局地驱动凝胶微粒，不能独立地控制组装结构中的单个物体，即组装形式依旧是难以自由调配的,比如《sci.adv.3,e1602522(2017)》；而使用温度响应的方式不能重新配置组装的结构，剧烈的温度变化也使其应用受到限制，比如《adv.mater.31,1900932(2019)》。[0005]总计而言，目前液面表面的微粒重构组装技术依旧存在诸多限制，换言之，目前还无可自由编辑重构形状的微小物体组装方法。[0006]然而，本发明专利提供了一种生物启发策略，以实现流体界面上二维和三维结构的可重构组装。通过一种简单且可编程的光控方法来调节漂浮的偶氮苯功能化液晶聚合物执行器的变形，由此产生毛细作用力来驱动组装和重构技术实现要素：[0007]本发明的目的在于提供一种适用于流体界面上微小物体组装和重构的方法及其应用，基于生物启发策略实现微小物体在流体界面上的二维和三维的组装，通过简单且可编程的光控方式调节漂浮的偶氮苯功能化液晶聚合物执行器的变形，使其产生毛细作用力来驱动执行器的组装和重构，进而形成不同的图案。[0008]本发明人经过广泛而深入的研究，利用光致形变智能高分子材料制备了微型执行器，利用微型执行器可以在光的刺激下发生形状变化的特性，通过光照微型执行器使其在液面上向上或向下弯曲产生凸液面或者凹液面，利用形变诱发毛细作用力来调控微型执行器之间实现相互吸引或者相互排斥，进而调控多个执行器组装或重构成不同的图案。和磁性微工艺不同的是，本方案可对单个微型执行器进行单独的调控，进而配合不同的调控策略即可组装不同的图案形状，且可随时任意地调控光的入射位置和角度来调控微型执行器发生不同的形状变化，从而方便的进行不同图案的相互切换。另外，该方式不仅仅可对同一液面上的多个微型执行器进行调控，还可同时对多个执行器在多层液面上的组装，实现三维协同组装。[0009]为实现以上目的，具体的，根据本发明的第一方面，提供一种适用于流体界面上微小物体组装的方法，在本方案实施例中，其中微小物体指可在光照下发生弯曲形变的一切物体，包括以下步骤：[0010]利用光照射流体界面上的微小物体使其发生形变诱导液面产生形变并形成毛细作用力驱动微小物体组装。[0011]在本方案的实施例中，微小物体可选择为微型执行器，微型执行器为具有光照弯曲特性的液晶聚合物薄膜裁剪得到，该聚合物薄膜能在光照下会发生弯曲变形，且对其进行不同面照射时会朝着不同的方向弯曲。微型执行器的形状可以为三角形、正方形、长方形、圆形、椭圆形、多边形。[0012]该液晶聚合物薄膜可选用cn102615885b中提及的可逆光致变形液晶高分子，但不同材质制备得到的液晶聚合物薄膜的特性略有差别。在本方案的实施例中，本申请人以以下方式制备该液晶聚合物薄膜：[0013]采用原位聚合法中光聚合方法制备：首先将c9a和da11ab6按摩尔数78:20配比，然后加入2％的光引发剂，混合均匀后注入两块基板制成的液晶盒中。基板上涂覆了经过取向处理的聚酰亚胺薄膜，并且两块基板之间放置了一定直径的间隔材料以保持一定的间隔从而控制液晶高分子复合薄膜的厚度，用热台控制温度在95℃，并在光源所发出的波长大于550nm，光强为16mw/cm2的光照下反应6h，然后打开液晶盒得到液晶高分子复合薄膜。。[0014]其中，液晶聚合物薄膜的厚度为0.1μm-2000μm。优选的，将液晶聚合物薄膜裁剪成长度为0.1mm-100mm，宽度为0.1mm-100mm的执行器。[0015]如图1a所示，该微小物体在气-固界面上向光弯曲时并不会引起固体界面的变化，且该微小物体本身不受固体界面的影响；而如图1b所示，当该微小物体在气-液界面上向上弯曲时，微小物体的弯曲部会在液面表面凹陷形成凹液面，对应的，在该凹液面的边侧会产生凸液面，进而诱发产生不同的毛细作用力。[0016]在本方案中的一实施例中，将至少两微小物体置于至少多层液面上，其中至少两层液面上设有微小物体，对多层液面上的微小物体光照，促使微小物体在多层液面上进行独立组装或者协同组装，此时可实现在多层液面上的三维协同组装，此时，当光强较大时，置于下层的微小物体刺破上层液面时则会自发形成三维协同组装。对应的，多层液面为气-液与液-液界面，或，液-液与液-液界面。[0017]当然，若多个微小物体置于同层气-液界面上，则实现二维协同组装。[0018]特别值得一提的是，优选的，光照的光强控制在0.001-10w/cm-2,若光强过小不足以驱动执行器在液面上弯曲，若光强过大不利于操控，在这光照范围下，另外，值得一提的是，该方法可通过控制光源的强度强来调节微型执行器的弯曲曲率来控制组装速率。[0019]另外，本方案的适用范围广，即对组装的环境条件要求低。本方案的气-液界面中的气体为空气、氮气、氩气；液体为水、硅油、氟化液、盐溶液。光源为紫外光、可见光、红光和近红外光中的任意一种。改变光源的照射方向以控制微小物体的的弯曲方向，光源是可以从上往下照射，此时，微小物体朝上弯曲；若光源从下往上照射，此时，光致形变微型控制器朝下弯曲。[0020]其中至少两微小物体接邻设置，其中微小物体之间的放置位置会对最终的组装形态产生一定的影响，如附图12所示，当两个执行器初始位置为头对头连接时光照后组装形态始终为头对头连接，而当两个执行器初始位置为平行时则会出现头对头和肩并肩两种组装模式，这个组装模式则与距离d有关，当d大于临界距离时以头对头方式连接，当d小于临界距离时则以肩并肩方式组装，当光源对两个执行器朝相反方向照射时，一个朝上弯曲另一个朝下弯曲时则始终以t字形方式组装在一起。[0021]根据本发明的第二方面，提供一种适用于流体界面上微小物体重构的方法，在本方案实施例中，微小物体指的是微型执行器，该微型执行器对光弯曲变形，包括以下步骤：[0022]具体的，将至少两微小物体置于气-液界面上，根据组装图案形状确定紫外光的光照方向，紫外光光照对应的微小物体完成自组装；改变紫外光的光照方向，紫外光光照对应的微小物体诱导已组装的微小物体的组装图案发生变化，调节光源的照射方向和强度以诱导微小物体形成特定的组装图案。[0023]具体的，将至少两微小物体置于气-液界面上，根据组装图案形状确定紫外光的光照方向，紫外光光照对应的微小物体完成自组装；切换光源为可见光照射组装后的至少一微小物体，使微小物体恢复初始状态；根据重构图像形状确定紫外光的光照方向，紫外光光照对应的微小物体。[0024]值得说明的是，对于该执行器来说驱动其弯曲的光源为紫外光源，重构时则先是用可见光照射使其回复致初始状态后再调整紫外光源照射方向来使其重构，前面所述的不同光源是对不同的材料来说的，因为这个方法通用性比较强不仅仅是对这个材料所制备的执行器，对于其他具有响应的执行器都可以利用这个方法进行组装和重构。[0025]相同的，也可多层液面上实现三维重构，此时：[0026]将至少两微小物体置于至少多层液面上，其中至少两层液面上设有微小物体，对多层液面上的微小物体根据组装图案形状确定紫外光的光照方向，紫外光光照对应的微小物体完成自组装；改变紫外光的光照方向，紫外光光照对应的微小物体诱导已组装的微小物体组装图案发生变化，调节光源的照射方向和强度以诱导微小物体形成特定的组装图案。[0027]更具体的，在一些实施例中，切换光源为可见光照射组装后的至少一微小物体，使微小物体恢复初始状态；根据重构图像形状确定紫外光的光照方向，紫外光光照对应的微小物体。[0028]在液体界面光控微小物体的重构方法中提到的组装条件同于其上液体界面光控微小物体的组装方法中的条件。[0029]根据本发明的第三方面，提供一种协同组装微小物体，根据其上适用于流体界面上微小物体组装的方法组装得到的。[0030]根据本发明的第四方面，提供一种协同组装微小物体，根据其上适用于流体界面上微小物体重构的方法重构得到的。[0031]应理解，在本发明范围内中，上述各项技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各项技术特征之间都可以相互组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。[0032]相较现有技术，本技术方案具有以下的特点：[0033]1.利用光控的方式驱动单个微型执行器进行形变变化，进而实现多个微型执行器的组装和重构，通过调节入射光位置和角度即可变化微型执行器的形变，实现多个执行器的自由重构，调配方式简单易操作且对环境要求低。[0034]2.适用场景广，组装图案丰富可变。该方案可在多种气-液界面上进行，气体可以是空气、氮气、氩气，液体可以是水、硅油、氟化液以及盐溶液等，可被用于光机械系统、协同微机器人、生物医学设备、分层系统的组装和自下而上的材料工程等领域。[0035]3.不仅可实现二维图像的组装重构，也可实现三维图像的组装重构，即可以实现多个执行器在多层液面上进行组装，以实现多层液面之间的三维协同组装。附图说明[0036]图1a是微执行器在固体界面上的形变图。[0037]图1b是微执行器在液体洁面上时执行器诱导液面形变，产生凹液面和凸液面的形变图。[0038]图2是根据本发明的一实施例的两个长方形光控微型执行器在光刺激下在液面上进行组装和重构的示意图。[0039]图3是根据本发明的一实施例的三个长方形光控微型执行器在光刺激下在液面上进行组装和重构的示意图。[0040]图4是根据本发明的一实施例的四个长方形光控微型执行器在光刺激下在液面上进行组装和重构的示意图。[0041]图5是根据本发明的一实施例的九个长方形光控微型执行器在光刺激下在液面上进行组装和重构的示意图。[0042]图6是根据本发明的一实施例的四个正方形光控微型执行器在光刺激下在液面上进行组装和重构的示意图。[0043]图7是根据本发明的一实施例的两个三角形光控微型执行器在光刺激下在液面上进行组装和重构的示意图。[0044]图8是根据本发明的一实施例的四个长方形光控微型执行器在光刺激下在液面上进行可逆和可重复图案化组装的示意图。[0045]图9是根据本发明的一实施例的不同形状光控微型执行器在光刺激下在液面上进行图案化组装和重构的示意图。[0046]图10是根据本发明的一实施例的长方形光控微型执行器在光刺激下在多层液面上进行图案化组装和重构的示意图。[0047]图11是根据本发明的一实施例的长方形光控微型执行器在光刺激下在多层液面上进行协同组装和重构的示意图。[0048]图12是根据本发明的一实施例的微小物体之间的放置位置对最终的组装形态产生影响的示意图。具体实施方式[0049]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0050]本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。[0051]可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。[0052]本发明人经过广泛而深入的研究，利用光致形变智能高分子材料制备了微型执行器，利用该微型执行器可以在光的刺激下发生形状变化的特性，并将该执行器置于液体界面形变诱导产生毛细作用力，并利用毛细作用力调控多个执行器相互之间产生吸引力或排斥力，进而实现不同形状图案的组装。本发明的技术不仅可以驱动微型执行器在单一界面进行组装和重构，还可以驱动微型执行器在多层界面组装和重构，甚至可以驱动微型执行器在多层界面上进行协同组装和重构。这是一种全新的光控微型执行器组装和重构的方法，在微机械系统、生物医学设备和超材料等领域具有可观的潜在应用价值。[0053]以下实施例以微小物体为微型执行器为例进行说明，当然其他光照可变形的微小物体也具有同样的效果。[0054]制备例1：采用原位聚合法中光聚合方法制备液晶高分子薄膜。首先将c9a和da11ab6按摩尔数78:20配比，然后加入2％的光引发剂。混合均匀后注入两块基板制成的液晶盒中。基板上涂覆了经过取向处理的聚酰亚胺薄膜，并且两块基板之间放置了一定直径的间隔材料以保持一定的间隔从而控制液晶高分子复合薄膜的厚度。用热台控制温度在95℃，并在光源所发出的波长大于550nm，光强为16mw/cm2的光照下反应6h，然后打开液晶盒得到液晶高分子复合薄膜。将液晶高分子薄膜裁剪成各种形状，得到微型执行器。[0055]以下配合附图说明不同实施例的组装和重构方案：[0056]实施例1：光控两个长方形微型执行器组装和重构：[0057]将制备例1中得到的两个长条形微型执行器(尺寸为6mm×2mm×0.03mm)放置在空气-水界面上，分别用紫外光源照射，其中紫外光源光强为150-200mw cm-2。[0058]结果：如图2所示：[0059]1、当两个微型执行器同时朝上弯曲时，微型执行器以头多头或者肩并肩的形式组装在一起。[0060]2、当两个微型执行器同时朝下弯曲时，微型执行器以头多头或者肩并肩的形式组装在一起。[0061]3、当一个微型执行器朝上弯曲，另一个朝下弯曲时，微型执行器以“t”型方式组装在一起。[0062]实施例2：光控三个长方形微型执行器组装和重构：[0063]重复实施例1实验，不同的是在液面上同时放置三个微型执行器，用紫外光照射形成组装图案，进一步的利用可见光照射使部分执行器回复到初始状态后调节紫外光源照射方向可对组装图案进行重构。。[0064]结果：如图3所示，当对三个执行器进行组装时，调节光源的照射方向得到9种不同的组装图案。[0065]实施例3：光控四个长方形微型执行器组装和重构：[0066]重复实施例1实验，不同的是在液面上同时放置四个微型执行器，用紫外光照射形成组装图案，进一步的利用可见光照射使部分执行器回复到初始状态后调节紫外光源照射方向可对组装图案进行重构。[0067]结果：当对四个执行器进行组装时，调节光源的照射方向得到图4所示25种不同的组装图案。[0068]实施例4：光控九个长方形微型执行器组装和重构：[0069]重复实施例1实验，不同的是在液面上同时放置九个微型执行器，用紫外光照射形成组装图案，进一步的利用可见光照射使部分执行器回复到初始状态后调节紫外光源照射方向可对组装图案进行重构。[0070]结果：当对四个执行器进行组装时，调节光源的照射方向得到图5所示37种不同的组装图案。[0071]由实施例1到实施例4可知，可通过选择不同数量的微型执行器，并对其中的任意微型执行器进行光照处理，组合的不同的组装图案。[0072]实施例5：光控四个正方形微型执行器组装和重构[0073]将制备例1得到的四个正方形微型执行器(尺寸为3mm×3mm×0.03mm)放置在空气-水界面上，用紫外光照射形成组装图案，进一步的利用可见光照射使部分执行器回复到初始状态后调节紫外光源照射方向可对组装图案进行重构。[0074]结果：当对四个执行器进行组装时，调节光源的照射方向得到图6所示4种不同的组装图案。[0075]实施例6：光控两个三角形微型执行器组装和重构[0076]将制备例1得到的两个三角形微型执行器(尺寸为3mm×0.03mm)放置在空气-水界面上，用紫外光照射形成组装图案，进一步的利用可见光照射使部分执行器回复到初始状态后调节紫外光源照射方向可对组装图案进行重构。[0077]结果：当对四个执行器进行组装时，调节光源的照射方向得到图7所示3种不同的组装图案。[0078]由实施例3，实施例5和实施例6可知，本方案对微型执行器的形状要求不高，可以是三角形、正方形也可以是长方形，当然其他多边形也是可以的。[0079]实施例7：光控微型执行器在光刺激下在液面上进行可逆和可重复组装[0080]将制备例1得到的四个长方形微型执行器放置在空气-水界面上，用紫外光照射形成组装图案，进一步的利用可见光照射使部分执行器回复到初始状态后调节紫外光源照射方向可对组装图案进行重构。[0081]结果：当对四个执行器进行组装时，调节光源的照射方向使得组装图案在“一”字型和“工”字形之间重复可逆的组装。图案变化如图8所示。该实施例证明该方案对微型执行器的形变控制是可逆的，进而可实现后续的重构。[0082]实施例8：光控不同形状微型执行器组装和重构[0083]将制备例1得到的两个三角形微型执行器(尺寸为3mm×0.03mm)和两个长条形微型执行器(尺寸为6mm×2mm×0.03mm)放置在空气-水界面上，用紫外光照射形成组装图案，进一步的利用可见光照射使部分执行器回复到初始状态后调节紫外光源照射方向可对组装图案进行重构。。[0084]结果：当对不同形状微型执行器进行组装时，调节光源的照射方向使得类似指示箭头形状图案。图案变化如图9所示。[0085]实施例9：光控微型执行器在多层液面上进行图案化组装和重构[0086]首先将氟化液(fc-70)倒入培养皿中然后加入适量的水形成液-液-气多层界面。将制备例1中得到的三个长条形微型执行器(尺寸为6mm×2mm×0.03mm)放在在液-液界面上，另外将两个三角形微型执行器(尺寸为3mm×0.03mm)和一个长方形微型执行器(尺寸为6mm×2mm×0.03mm)放置在气-液界面上，用紫外光照射形成组装图案，进一步的利用可见光照射使部分执行器回复到初始状态后调节紫外光源照射方向可对组装图案进行重构。[0087]结果：通过调节光源的照射方向，可以单独控制每个界面上的组装图案，具体图案如图10所示。[0088]实施例10：光控长方形微型执行器在多层液面上进行协同组装和重构：[0089]同实施例9方法构建多层界面，界面形式为气-液-液，在液-液界面上放置两个尺寸为(6mm×2mm×0.03mm)和一个尺寸为(12mm×2mm×0.03mm)的长方形微型执行器，在气液界面上放置两个尺寸为(6mm×2mm×0.03mm)的长方形微型执行器，用紫外光照射形成组装图案，进一步的利用可见光照射使部分执行器回复到初始状态后调节紫外光源照射方向可对组装图案进行重构。[0090]结果：通过调节紫外光照射方向可以实现液-液界面和气-液界面之间的微型执行器协同组装，同时还可以在不同的图案之间进行转变，具体图案转变如图11所示。[0091]本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。