NEMS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)

0 引 言

各种新材料技术、微纳加工技术、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。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、声场、电场、光场以及多场混合等外场方式产生驱动力。微电机在生物医学、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。

1987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、性能和驱动机制的新型微/纳米电机不断地被研制成功。微电机能够实现多种形式的机械运动，例如旋转、滚动、穿梭和输送等；通常由复合材料制成，例如硅基材料、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、球状以及管状等。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。

1 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。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。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。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、钴、镍及其合金等。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、蒸发镀或者磁控溅射的方式获得。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。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。

2007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。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]。该微电机由紫外光刻、电铸和注塑技术制造而成，整体外廓尺寸为10 mm×12 mm，梳齿间隙仅为100 μm，输出力可达4 mN。2008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16.7 μm的微小步幅，最大转矩达到0.3 μN·m[3]。

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，从而推动微电机的运动。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。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。2013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600 nm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。近来，开始有学者采用微生物作为模板应用到微纳米电机的制造中。2014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。Janus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]。2016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。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。

图2 纳米线微电机及驱动示意图[4]

(a)

(b)

(c)

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。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、细胞运输以及微创手术等[11]。

1.2 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。2012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2 μm，直径330 nm)，可以实现200 μm/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。2014年，García-Gradilla等[13]利用电沉积先后沉积金、镍、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。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。2014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。

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，这使得超声波驱动比磁场驱动的应用范围更加广泛。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。

1.3 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。电驱动主要包括低频交流电电渗透驱动、电镊驱动和电解水驱动等不同的方式。Papadakis等[15]与Meyer等[16]以碳纳米管为轴承做了更加深入的研究。2014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。该电机由一个直径300 nm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。

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(d)

(e)

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。

1.4 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。以光作为能源的驱动类型可分为以下三类：光镊驱动、光热驱动以及光催化驱动。

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。目前，光镊已经被广泛应用于化学、物理和生物研究中。光镊能够实现单个或者多个微纳米颗粒的同时操作。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、聚乙烯微球、金纳米线等微纳米尺度物体的定向移动[21-25]。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]。

(a)

(b)

(c)

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。Qian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。2016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8 μm，转速300 r/min。

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。2015年，Guan等[29]利用TiO2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TiO2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。Ren等[31]基于TiO2光解水产生氢气的化学原理，以氢气为动力成功驱动了TiO2/Au Janus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。

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。但光驱动同样面临着一些挑战，光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。

2 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。磁、声、电、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、物质运输、生物医学及环境领域等方面广泛应用的可能性。

(1)微纳米加工领域。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。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]。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。

(2)靶向药物运输。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。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]。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。

(3)纳米手术。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。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。

(4)环境领域。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。

3 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、物质运输、生命科学以及环境治理等领域具有广泛的应用前景。本文按照磁、声、电、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、工作原理以及实际应用等方面进行了简要介绍。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。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。当前微电机的研究仍处于初级阶段，未来智能化的、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。