《Nature》水凝膠 ，3D打印！

導讀：在自然界中，纖毛廣泛存在于呼吸道上皮和海洋微生物表面。雖然尺度僅為微米級，但通過協同、非互易的周期性擺動，纖毛能夠高效實現定向輸運和流體操控等功能。

如何在人工系統中復現這種運動方式，一直是軟體機器人和微流控領域的關鍵挑戰。難點并不在于結構成形，而在于能否在微米尺度下，實現低電壓、毫秒級響應、可編程的非互易三維運動，并具備陣列化集成能力。

示意圖：3D打印水凝膠驅動器實現毫秒級仿生纖毛運動

1月14日，德國斯圖加特馬克斯·普朗克智能系統研究所Metin Sitti教授聯合香港科技大學胡文琪助理教授，利用雙光子聚合（TPP）3D打印技術，開發了一種水凝膠微纖毛陣列致動器。

該系統在低至1.5 V的電壓下即可實現毫秒級響應，并在微米尺度上實現了可編程的非互易三維運動與復雜流體操控。

相關成果以“3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators”發表在《Nature》期刊上。其中中國青年學者Liu Zemin為論文第一作者。

從毫米到微米：納米孔水凝膠帶來的尺度躍遷

傳統水凝膠致動器大多工作在毫米尺度，其驅動依賴于pH或滲透壓梯度建立，響應時間往往以秒計。而本研究的關鍵突破，在于尺度的根本性縮小。

研究者通過雙光子聚合3D打印，將離子水凝膠內部的孔徑從幾十微米壓縮至納米尺度。這種高度致密、均勻的網絡結構顯著提升了材料的有效比表面積，使電雙層（EDL）容量大幅增加，從而在電場作用下實現更高效的離子傳輸與電滲流。

圖1：電驅動水凝膠微致動器的制造、機制和裝置

最終得到的，是直徑2–10 μm、高度18–90 μm的水凝膠微纖毛，并在其周圍集成了間距30–300 μm的微電極。在僅1.5 V（低于水電解閾值）的電壓下，局部電場強度即可達到5000–50000 V·m?1，為快速、可逆的驅動奠定基礎。

離子在“納米迷宮”中奔跑：毫秒級彎曲的真正原因

當電場施加后，微纖毛幾乎“立刻”做出反應。其彎曲速度相比傳統水凝膠快了近100倍，根本原因并不在于材料“更軟”，而在于離子遷移路徑被極度縮短。

更有趣的是，彎曲方向完全由溶液中的主導離子決定。

在H?主導的去離子水中，纖毛向陽極彎曲；在Na?主導的生理鹽水中，纖毛則轉而向陰極彎曲；在中等鹽濃度下，H?與Na?的競爭會導致先正向、再反向的瞬態彎曲行為。

圖2：凝膠微纖毛致動器動力學的表征

耦合的電-化學-力學模擬揭示了這一過程的微觀圖景：H?遷移率（μH = 3.62 × 10?? m2·s?1·V?1）遠高于Na?，在電場中更快聚集，引發局部網絡收縮；而Na?的水合作用則導致網絡溶脹。正是這種離子遷移率差異，賦予了系統可預測、可設計的非互易動力學。

在10000 V·m?1的電場下，H?穿越10 μm僅需2.8 ms，使得纖毛的旋轉彎曲頻率可達40 Hz。

非互易不是“隨機”：可重編程的微尺度協同運動

單根纖毛的快速彎曲只是開始。真正令人印象深刻的，是該系統在陣列尺度展現出的高度可編程性。

通過對圖案化微電極施加不同相位與時序的電信號，研究者實現了多種復雜運動模式，包括同步單向彎曲、180°異相彎曲、順時針或逆時針旋轉，以及相鄰纖毛的反向協同運動。

圖3：凝膠微纖毛陣列的動態彎曲運動

這些運動可無縫擴展至5×5乃至25×25的陣列，每一個致動單元都可獨立尋址。陣列甚至可以被“寫成”特定圖案，例如通過180°相位差，讓纖毛陣列動態顯示“HKUST”或“MPIIS”，在微尺度上形成清晰可辨的視覺對比。

更進一步，水凝膠纖毛還能與3D打印的微機械結構集成，將彎曲轉化為旋轉、拍動等復雜運動；甚至被用來構建一個“人工海星幼蟲”平臺，在電控下重現生物體表面纖毛驅動的渦流陣列。

不只是動：微纖毛驅動的可編程流體

研究者展示了兩種流體操控策略：一是結構編碼，在相同驅動信號下，僅通過改變纖毛的位置與密度，就能生成完全不同的渦流拓撲；二是時間編碼，通過獨立尋址、相位差驅動，動態重編程流場結構。

圖4：凝膠微纖毛陣列對流體的動態操控

由此產生的流動模式包括嵌套渦流、L形流動、雙向垂直流等，粒子圖像測速（PIV）結果與理論預測高度一致。估算的最大流速達到50–250 μm·s?1，展示了其在微流控輸運與顆粒操控中的實際潛力。

小結與展望

這項工作展示了一條極具啟發性的路徑：通過3D打印、離子水凝膠與低電壓電場，在微米尺度上實現高頻、非互易、可編程運動。

它不依賴復雜的機械傳動，也不需要高能耗刺激，卻在運動自由度與系統集成度上，逼近了生物纖毛的工作方式。隨著材料組成、電極結構和尺度的進一步優化，這類電控水凝膠微纖毛有望在微型機器人、生物醫學器件與智能微流控系統等領域發揮更大作用

文獻鏈接

Liu, Z., Wang, C., Ren, Z. et al. 3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators. Nature (2026).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09944-6

來源：3D打印資源庫