NEMS外场驱动微电机研究进展

2019年第47卷第3期T综　述echnical review 曹富林等　NEMS 外场驱动微电机研究进展77　收稿日期:2018-04-26NEMS 外场驱动微电机研究进展曹富林,许立忠(燕山大学,秦皇岛066004)摘　要:按照外场驱动微电机的驱动机制进行分类,简要介绍了各类微电机的制造工艺及应用前景,综述了各类微电机的研究与应用现状㊂指出了当前外场驱动微电机领域的研究热点,分析了微电机在实际应用中存在的困难㊂展望了外场驱动微电机未来的发展趋势及应用前景㊂关键词:微纳米电机;纳机电系统;外场驱动;微电机;发展趋势;应用前景中图分类号:TM359.9 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2019)03-0077-05Advances in Research of NEMS Field-Driven MicromotorsCAO Fu -lin ,XU Li -zhong(Yanshan University,Qinhuangdao,066004,China)Abstract :According to the drive mechanism of the micromotor driven by the external field,the classification and themanufacturing process and application prospect of various micromotors were briefly introduced.The research and application status of various micromotors were summarized.The current research hotspots of micro-motor driven by the external field were pointed out,and the difficulties in the practical application of the micro-motor were analyzed.The future development trend and application prospects of field-driven micromotors were forecasted.Key words :micro nano motor,nano electro mechanical system (NEMS),external field driven,micro motor,devel⁃opment trend,application prospect0　引　言各种新材料技术㊁微纳加工技术㊁传统机械的学科交叉,为纳机电系统(以下简称NEMS)微电机的发展注入了动力㊂微电机可利用内部化学燃料通过催化反应实现驱动;此外,尚可通过外部能量实现驱动,可借助于磁场㊁声场㊁电场㊁光场以及多场混合等外场方式产生驱动力㊂微电机在生物医学㊁航空航天以及通信工程中具有重要的应用,特别是在生物领域的应用尤为广泛,可以实现药物的定向投放,精密手术以及生物传感等功能㊂1987年,加州大学伯克利分校以硅为原材料,利用微加工技术制造出可转动微电机[1],此后各种尺寸㊁性能和驱动机制的新型微/纳米电机不断地被研制成功㊂微电机能够实现多种形式的机械运动,例如旋转㊁滚动㊁穿梭和输送等;通常由复合材料制成,例如硅基材料㊁聚合物以及合金等,尺寸范围为微米级至纳米级;形状多样,包括线状㊁球状以及管状等㊂本文将按驱动机制对微电机进行分类,总结微电机的研究现状并展望其发展前景,为微电机的进一步发展提供借鉴㊂1　微电机类型1.1　磁驱动微纳米电机磁驱动微电机的动力是由电流产生的磁场或者磁性材料提供的㊂与其他推动机制相比,磁驱动具有良好的生物相容性和对细胞无损的能量传输机制,是微纳米电机最具前途的驱动方法之一㊂因为微电机的运动是通过外部磁场控制的,故不需要任何燃料,并且具有输出力大,输入阻抗低,驱动电压小等特点㊂电磁式微电机通常由电导体或线圈系统,软磁或硬磁材料以及绝缘和嵌入电介质组成,目前已知的磁性材料主要包括铁㊁钴㊁镍及其合金等㊂与其他材料相比,金属镍是微纳米电机制造中应用最为广泛的,镍可以通过微电铸㊁蒸发镀或者磁控溅射的方式获得㊂微电机的运动取决于磁力的大小和方向,总体结构尺寸通常在几厘米的范围内,而执行结构在微米范围内㊂电磁式微电机按照运动输出的形式可分为线性微电机和旋转微电机㊂2007年,德国布伦瑞克工业大学研制出第一代集成可变磁阻线性微电机,由定子极和移动极两部分组成,如图1所示㊂其磁通量是由缠绕在定子磁极周围的三维线圈在平面内产生的,移动梳形磁极在定子磁极之间,其两侧被电磁力吸引,移动极产生直线运动[2]㊂该微电机由紫外光刻㊁电铸和注塑技术制造 T综　述echnical review 2019年第47卷第3期 曹富林等　NEMS 外场驱动微电机研究进展 78　而成,整体外廓尺寸为10mm×12mm,梳齿间隙仅为100μm,输出力可达4mN㊂2008年,布伦瑞克工业大学在线性微电机的基础上提出一种旋转步进可变磁阻微电机,驱动原理与线性微电机相似,同样利用磁极对的相互吸引提供动力,该电机能够实现最低16.7μm的微小步幅,最大转矩达到0.3μN㊃m[3]㊂图1　集成可变磁阻线性微电机[2] 2010年,Gao等[4]采用电化学沉积法制造出纳米线微电机,首先通过微电铸制造出由Au-Ag-Ni 组成的纳米线,继而通过化学腐蚀去除部分银,减小银纳米线的直径,制造出一种鞭毛型结构,如图2所示,通过外部磁场驱动微电机尾部的镍旋转,从而推图2　纳米线微电机及驱动示意图[4]动微电机的运动㊂通过仿照细菌的螺旋运动方式, Berg H C等[5]成功将磁场驱动应用于微螺旋结构㊂磁致驱动螺旋微纳米电机可适应复杂环境,易于控制,在生命科学领域展现出很大的潜力㊂2013年, Li等[6]采用模板辅助电沉积技术制造出直径100 nm,长度为600nm的螺旋纳米电机,如图3所示,通过将Pd/Cu纳米棒模板电沉积到纳米多孔膜模板中,然后除去Cu,并用磁性Ni层电子束涂覆所得到的Pd纳米片来制备Pd螺旋纳米结构,该方法具有制作效率高,成本低廉的优点㊂近来,开始有学者(a)(b)(c)图3　螺旋纳米电机[7]采用微生物作为模板应用到微纳米电机的制造中㊂2014年,Gao等[7]以一种植物纤维为材料,成功地制造出螺旋微电机,把植物的叶片切开后平铺到玻璃基底上,采用气相沉积法使Ti和Ni沉积于螺旋植物纤维,基于Ni的磁性用外部磁场驱动电机; 2015年,Zhang等[8]以链霉菌自身结构为模板,在链霉菌表面涂抹一层铁前体溶液,通过热处理工艺获得与链霉菌结构尺寸相近的多孔螺旋电机㊂Ja⁃nus粒子具有两个性质不同的表面,因此受到众多学者的青睐[9]㊂2016年,Lee等[10]通过气相沉积金属镍,获得了具有磁性的Janus粒子,通过改变驱动磁场,能够对Janus粒子的运动加以控制㊂与纳米线类似,管状微纳米电机具有长度形状,但其特征在于具有特定内部和外部部分的管状结构㊂磁致驱动作为一种不需要任何燃料的驱动方法,是用于驱动微纳米电机的重要技术手段,已经引起研究者的广泛关注㊂当前的磁致驱动微纳米电机的研究仍处于初级阶段,但很多学者逐渐把磁驱微纳米电机应用于生物实验,例如精确靶向药物㊁细胞运输以及微创手术等[11]㊂1.2　超声波驱动微纳米电机超声波具有易于控制及良好的生物相容性等特点,能够保证微纳米电机在黏度较高的液体环境中运动㊂2012年,Mallouk等[12]首次提出并实现了金属纳米线的超声波驱动,采用模板辅助电沉积法制备了Au-Ru双金属纳米线(长2μm,直径330 nm),可以实现200μm/s的轴向随机运动;该小组还试验性地探讨了纳米线电机材料不对称性的附加影响,以及对声学推进的形状和材料依赖性的研究㊂2014年,García-Gradilla等[13]利用电沉积先后沉积金㊁镍㊁金和金银,并通过腐蚀掉部分银的方式获得了多孔纳米棒,并在超声波驱动和磁场的控制下实现对癌细胞的靶向药物杀死㊂超声波驱动的管式微型电机几乎与纳米线微型电机同时发展起来㊂2014年,Xu等[14]基于超声波气泡聚集效应,将其应用于管状微电机的驱动,证明出超声波能量与微电机的运动速度之间的相关性,驱动原理如图4所示㊂图4　超声波驱动管状微电机[14]与磁场驱动方式相比,超声波驱动方式更易于实现,不需要在微电机制造中加入磁性材料,这使得 2019年第47卷第3期 T综　述echnical review 曹富林等　NEMS外场驱动微电机研究进展79　超声波驱动比磁场驱动的应用范围更加广泛㊂但是,微电机的声学驱动在实际应用中还存在一些不足,金属纳米线的快速运动只出现在某些特定位置,而超声波驱动微型管状电机驱动时间短,这些特性均不利于超声波微电机的实际应用㊂1.3　电驱动微纳米电机电驱动微纳米电机的驱动主要是在溶液环境中实现的,必须通过施加外部电场操控微纳米颗粒的运动㊂电驱动主要包括低频交流电电渗透驱动㊁电镊驱动和电解水驱动等不同的方式㊂Papadakis 等[15]与Meyer 等[16]以碳纳米管为轴承做了更加深入的研究㊂2014年,Fan 等[17]将电操纵的办法,成功应用于对金属纳米线的驱动,如图5所示㊂该电机由一个直径300nm 的纳米线转子和铁磁轴承组成,通过施加外部电场,能够驱动纳米线转子实现连续转动;2015年,Sharma 等[18]利用非对称极化二极管和溶液中的离子电荷产生力矩,成功驱动微型颗粒㊂(a)(b)(c)(d)(e)图5　电驱动金属纳米线[17]虽然电驱动微电机的研究已经取得了一些成果,但是由于驱动方式为电场,较强的电场会导致溶液中其他物质发生电解反应,限制了电驱动方式的应用㊂1.4　光驱动微纳米电机光能作为一种在自然界广泛存在的能源,可用于实现微纳米电机的远程精确操纵㊂以光作为能源的驱动类型可分为以下三类:光镊驱动㊁光热驱动以及光催化驱动㊂光镊的驱动原理源自于光的力效应,1986年,美国贝尔实验室的Ashkin 等[19]率先利用光镊实现了对微颗粒的操控㊂目前,光镊已经被广泛应用于化学㊁物理和生物研究中㊂光镊能够实现单个或者多个微纳米颗粒的同时操作㊂光镊能够实现微型颗粒在三维空间内的自由移动[20],并且已经实现了对半导体纳米线㊁聚乙烯微球㊁金纳米线等微纳米尺度物体的定向移动[21-25]㊂光镊操控具有相当高的精度,在微纳米级的颗粒控制,细胞级的DNA 治疗等方面具有重要的应用价值[26]㊂(a)(b)(c)图6　光镊操纵微纳米颗粒[34]光诱导的热驱动具有较高的驱动效率,原理是基于光致颗粒表面温度梯度差产生驱动力㊂Qian等[27]应用该种驱动机制实现了微米级双面球电机的驱动,在光能的作用下,Au /PS Janus 球的Au 面受光照作用产生温升,使该球表面形成温度梯度,实现周围聚乙烯荧光颗粒的不均匀分布,从而引发微球的热流方向㊂2016年,Maggi 等[28]将光热驱动用于非对称形状的微米转子,该微米电机通过光刻模板技术制造,外径8μm,转速300r /min㊂光催化的致动原理为通过光照催化化学反应发生为微纳米电机的运动提供能量㊂2015年,Guan 等[29]利用TiO 2紫外线照射下过氧化氢化学分解产生氢气和氧气的特性,实现了TiO 2微管在过氧化氢溶液中的驱动,通过调节光照强度改变微管的运动速度;He 等[30]基于近红外光可控气泡驱动的方式成功驱动了Janus 粒子,在光照下Pt 壳吸收光能产生温升,进而形成温度梯度,增强化学催化提高纳米电机运行速度,无光源照射时Janus 球纳米电机随即失去动力㊂Ren 等[31]基于TiO 2光解水产生氢气的化学原理,以氢气为动力成功驱动了TiO 2/Au Ja⁃nus 球纳米电机,增强光照强度后能够明显提升电机的运动速度㊂由于光能的易于获得性,且光驱动能够保证微电机实现较高的运动精度,已经成为驱动微纳米粒子的常见方式㊂但光驱动同样面临着一些挑战,光 T综　述echnical review 2019年第47卷第3期 曹富林等　NEMS 外场驱动微电机研究进展 80　驱动需要一定的透明度,因此在活体内的颗粒光驱动受到了限制,目前的光催化驱动的微纳米颗粒集中在体外,光催化驱动的下一步发展应朝向生物方面,如精准医学和体内研究㊂2　应用及研究趋势外场驱动的微电机可以在生物体内工作,能够克服化学驱动中化学物质对生物体的损害㊂磁㊁声㊁电㊁光等均有较快的响应速度,因此,为外场驱动的微纳米电机提供了在微加工㊁物质运输㊁生物医学及环境领域等方面广泛应用的可能性㊂(1)微纳米加工领域㊂当前主要的微纳米结构加工主要还是借助于光刻和金属沉积方式来实现的,微加工设备都非常昂贵,严重制约了微纳米加工技术的发展㊂目前,已有学者利用光镊控制微球直写纳米图案,螺旋微纳米电机也成功应用于金螺旋微纳米结构的加工[32]㊂因此,为微纳米电机提供了一种低成本的微纳米结构加工方式,未来可能会运用微纳米电机实现更为复杂的微结构的加工㊂(2)靶向药物运输㊂微电机能够在体内实现精准的药物运输,基于这种方式的药物投送针对性强且效率高㊂近年,研究者报道了各类微电机在药物运载方面的应用[33-35]㊂虽然目前借助于微电机的药物运输集中在体外,但是未来的发展方向应该是实现微电机在活体内的药物运输,尤其是以磁场超声波为驱动源的微电机,具有良好的生物相容性,可以提供将抗癌药物转移运输至癌细胞处并成功杀死癌细胞的可能性㊂(3)纳米手术㊂在微纳米电机的蓬勃发展背景下,人们已经看到了微纳米电机在纳米精准手术方面的应用价值,Kagan等[36]研制的基于超声驱动方式的微管状电机,已经成功应用于对生物组织的穿透㊂但是,目前微电机在手术方面的应用集中在细胞及组织方面,距离真正在生物体内的应用还有一段距离,未来微电机的研究将会集中在如何将其应用于生物体体内㊂(4)环境领域㊂微纳米电机在环境领域中的应用主要表现在水体净化方面,用来吸附水体中的污染物,Srivastava等[37]将微米管状电机成功应用于水体中硝基芳烃污染物的降解,对水体具有良好的净化效果㊂3　总结和展望外场驱动为微纳米电机提供了在生物体内工作的可能,在微纳米加工㊁物质运输㊁生命科学以及环境治理等领域具有广泛的应用前景㊂本文按照磁㊁声㊁电㊁光等四种常见的外场驱动方式对微电机进行了综述,对各类电机的制造方法㊁工作原理以及实际应用等方面进行了简要介绍㊂虽然微电机在诸多领域均具有重要的应用价值,但是外场驱动微电机仍旧存在一些问题㊂微电机多采用重金属制成,可能对生物细胞造成损伤,无法在生物领域实用化㊂当前微电机的研究仍处于初级阶段,未来智能化的㊁多功能的微纳米电机将会是研究的重点领域,随着研究者对这一前沿领域的持续关注,微纳米电机将会对各相关领域产生重大影响㊂参考文献[1]　FAN L S,TAI Y C,MULLLER R S.Integrated movable microme⁃chanical structures for sensors and actuators[J].IEEE Transac⁃tions on Electronical Devices,1988,35(6):724-730. [2]　FELDMANN M,BUTTGENBACH S.Linear variable reluctance(VR)micro motors with compensated attraction force:concept,simulation,fabrication and test[J].IEEE Transactions on Magnet⁃ics,2007,43(6):2567-2569.[3]　WALDSCHIK A,FELDMANN M,SEIDEMANN V,et al.Develop⁃ment and fabrication of elect-romagnetic microactuators[M]//De⁃sign and Manufacturing of Active Microsystems.Springer Berlin Heidelberg,2011:207-224.[4]　GAO W,SATTAYASAMITSATHIT S,MANESH K M,et al.Mag⁃netically powered flexible metal nanowire motors[J].Journal of the American Chemical Society,2010,132(41):14403-14407. [5]　BERG H C,ANDERSON R A.Bacteria swim by rotating theirflagellar filaments[J].Nature,1973,245(5425):380-382. [6]　LI J,SATTAYASAMITSATHIT S,DONG R,et al.Template elec⁃trosynthesis of tailored-made helical nanoswimmers[J].Nanoscale,2014,6(16):9415-9420.[7]　GAO W,FENG X,PEI A,et al.Bioinspired helical microswimmersbased on vascular plants[J].Nano Letters,2014,14(1):305.[8]　YAN X,ZHOU Q,YU J,et al.Magnetite nanostructured poroushollow helical microswimmers for targeted delivery[J].Advanced Functional Materials,2015,25(33):5333-5342.[9]　SONG Y,CHEN S.Janus nanoparticles:preparation,characteriza⁃tion,and applications[J].Chemistry-An Asian Journal,2014,9(2):418-430.[10]　LEE K,YI Y,YU Y.Remote Control of T cell activation usingmagnetic janus particles[J].Angewandte Chemie,2016,55(26):73-84.[11]　许太林.超声控制与驱动微纳米马达[D].北京:北京科技大学,2017.[12]　WANG W,CASTRO L A,HOYOS M,et al.Autonomous motionof metallic microrods propelled by ultrasound[J].Acs Nano,2012,6(7):6122-6132.[13]　GARCIAGRADILLA V,SATTAYASAMITSATHIT S,SOTO F,etal.Ultrasound-propelled nanoporous gold wire for efficient drugloading and release[J].Small,2014,10(20):41-54. [14]　XU T,SOTO F,GAO W,et al.Ultrasound-modulated bubble pro⁃pulsion of chemically powered microengines[J].Journal of theAmerican Chemical Society,2014,136(24):8552-8556. 2019年第47卷第3期T综　述echnical review 曹富林等　NEMS 外场驱动微电机研究进展81　[15]　PAPADAKIS S J,HALL A R,WILLIAMS P A,et al.Resonantoscillators with carbon-nanotube torsion springs[J].Physical Re⁃view Letters,2004,93(14):146101.[16]　MEYER J C,PAILLET M,ROTH S.Single -molecule torsional pendulum[J].Science,2005,309(5740):1539-1541.[17]　KIM K,XU X,GUO J,et al.Ultrahigh-speed rotating nanoelec⁃tromechanical system devices assembled from nanoscale buildingblocks[J].Nature Communications,2014,5(5):3632.[18]　SHARMA R,VELEV O D.Remote steering of self ‐propellingmicrocircuits by modulated electric field[J].Advanced Function⁃al Materials,2015,25(34):5512-5519.[19]　ASHKIN A,DZIEDZIC J M,BJORKHOLM J E,et al.Observationof a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles[J].Optics Letters,1986,11(5):288.[20]　BERTHELOT J,ACIMOVIC S S,JUAN M L,et al.Three-dimen⁃sional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers[J].Nature Nanotechnology,2014,9(4):295.[21]　PAUZAUSKIE P J,RADENOVIC A,TREPAGNIER E,et al.Op⁃tical trapping and integration of semiconductor nanowire assem⁃blies in water[J].Nature Materials,2006,5(2):97-101.[22]　HASHEMI S M,MEIJERING A E,ROOS W H,et al.Recent ad⁃vances in biological single-molecule applications of optical tweez⁃ers and fluorescence microscopy [J ].Methods Enzymol,2017(582):85-119.[23]　TI C,THANH M T H,SHEN Y,et al.Fiber optical tweezers forapplying and measuring forces in a 3D solid compartment[M]//Selected Topics on Optical Fiber Technologies and Applications,2018.[24]　SHAO L,YANG Z J,ANDREN D,et al.Gold nanorod rotary mo⁃tors driven by resonant light scattering [J].Acs Nano,2015,9(12):12542-12551.[25]　ZHANG Y,WANG J,SHEN J,et al.Plasmonic hybridization in⁃duced trapping and manipulation of a single au nanowire on a me⁃tallic surface.[J].Nano Letters,2014,14(11):6430-6436.[26]　JOHANSEN P L,FENAROLI F,EVENSEN L,et al.Optical mi⁃cromanipulation of nanoparticles and cells inside living zebrafish[J].Nature Communications,2016(7):10974.[27]　JIANG H R,YOSHINAGA N,SANO M.Active motion of a Janusparticle by self-thermophoresis in a defocused laser beam[J].Physical Review Letters,2010,105(26):268-302.[28]　MAGGI C,SAGLIMBENI F,DIPALO M,et al.Micromotors withasymmetric shape that efficiently convert light into work by ther⁃mocapillary effects[J].Nature Communications,2015(6):7855.[29]　MOU F,LI Y,CHEN C,et al.Single-Component TiO2tubularmicroengines with motion controlled by light -induced bubbles.[J].Small,2015,11(21):2564.[30]　吴志光.自驱动合成微纳米马达的仿生设计及其生物医学应用[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015.[31]　DONG R,ZHANG Q,GAO W,et al.Highly efficient light-driv⁃en TiO2-Au janus micromotors [J].Acs Nano,2015,10(1):839.[32]　MCLEOD E,ARNOLD C B.Subwavelength direct-write nanopat⁃terning using optically trapped microspheres [J].Nature Nano⁃technology,2008,3(7):413-419.[33]　VAN N K,MINTEER S D.DNA-functionalized Pt nanoparticlesas catalysts for chemically powered micromotors:toward signal -on motion-based DNA biosensor[J].Chemical Communications,2015,51(23):4782-4785.[34]　WU Z,LIN X,ZOU X,et al.Biodegradable protein-based rocketsfor drug transportation and light -triggered release[J].Acs Ap⁃plied Materials &Interfaces,2015,7(1):250-254.[35]　WANG W,DUAN W,ZHANG Z,et al.A tale of two forces:sim⁃ultaneous chemical and acoustic propulsion of bimetallic micro⁃motors [J ].Chemical Communications,2015,51(6):1020-1022.[36]　KAGAN D,BENCHIMOL M J,CLAUSSEN J C,et al.Acousticdroplet vaporization and propulsion of perfluorocarbon ‐loaded microbullets for targeted tissue penetration and deformation[J].Angewandte Chemie,2012,51(30):7519.[37]　SRIVASTAVA S K,GUIX M,SCHMIDT O G.Wastewater media⁃ted activation of micromotors for efficient water cleaning[J].NanoLetters,2015,16(1):817.作者简介:曹富林(1993 ),男,硕士研究生,主要研究方向为微型集成活齿传动系统㊂。