受植物啟發的TransfOrigami微流體

植物脈管系統的健康取決于其對環境刺激作出反應的能力。受植物啟發的合成微流體系統很少表現出它們的環境響應性。在現在發表在《科學進展》上的一份新報告中,YiPan和中國大學機械工程研究團隊介紹了受生物啟發的可變形微流體，其中嵌入了刺激響應材料，以響應溫度、濕度和光輻照度。該團隊設計了一種可折疊的幾何形狀，并將設備命名為TransfOrigamimicrofluidics，縮寫為TOM，以突出其轉換與折紙結構之間的聯系，以用作環境適應性光子反應器。該裝置感知環境刺激，通過形態轉化為光合轉化提供正反饋。該團隊設想將該微系統擴展到更廣泛的應用，包括人工血管網絡和柔性電子設備。

仿生微流體

植物具有豐富而復雜的脈管系統，可以通過組織輸送水分和養分，以維持正常的新陳代謝。例如，葉子中的靜脈可以將光合作用產生的營養物質輸送到整個小葉中進行運輸。這些發展可用于形成具有嵌入式流體通道的人工系統，包括仿生微流體裝置。植物可以進化出對環境變化的反應，以便在不斷變化的自然環境中發揮良好的作用。感知外部環境并進行調整的潛力被稱為相對于光照、溫度和濕度變化的環境適應性.在這項工作中，Pan等人受到具有刺激響應結構的植物的生物啟發，將這一概念實現為可變形的微流控芯片，在薄且可折疊的結構上具有刺激響應材料。他們的TransfOrigami微流體方法適用于環境適應性光微反應器。該產品可以通過自適應節奏運動激發能源、機器人和醫學領域的應用。

研究小組觀察了日間植物Oxaliscorniculata，它可以展開其傳單進行陽光照射，并通過折疊傳單在夜間關閉。基于這一靈感，Pan等人為該設備采用了薄且可折疊的折紙結構。該團隊選擇了響應材料，其中硅彈性體提供了一種成熟的軟光刻方法來支持其微細加工。他們將刺激響應的變形折紙集成到一個薄的微流控芯片中，通過傳統的軟光刻技術和一些修改來創建TOM(TransfOrigami).折紙結構允許在2D平面狀態和3D緊湊形式之間靈活轉換，以創建3D流體運動。科學家們通過開發一種改進了先前示例的薄微流體裝置來證明這一概念。該團隊首先通過光刻法創建了一個帶有微通道圖案的模具，然后在模具上旋涂了一層薄薄的聚二甲基硅氧烷(PDMS)預聚物。他們重復了類似的步驟，并為最終修整成設計形狀的薄微流體裝置開發了鏤空區域。該團隊將該設備劃分為三個區域，包括對角執行器、集光面板和中心執行器。然后，他們使用掃描電子顯微鏡識別了這些組件，以及能量色散X射線映射以確認組成元素。Pan等人觀察到熱響應性水凝膠聚(N-異丙基丙烯酰胺)(pNIPAM)與器件的PDMS組成聚合物之間具有很強的粘附性。他們用集光板突出了透光區域，而蛇形通道促進了設備的功能。

TransfOrigami(TOM)的環境響應變形

團隊接下來量化了TOM的折疊和展開性能。在光照條件下，TOM逐漸展開，而在低溫高濕條件下逐漸開始折疊。Pan等人通過測量不同溫度或光照下不同情況下的展開百分比來量化TOM的環境響應性。溫度在高濕度環境中繼續發揮作用。理論上，較厚的pNIPAM驅動層和較薄的PDMS無源層會增加TransfOrigami設備的變形程度。為了在實踐中實現這一目標，研究人員將聚合物分別設計為最厚和最薄，同時包括光熱摻雜劑，如石墨烯納米片到PDMS，實現光熱響應驅動。該團隊采用鹵素燈作為太陽光的模擬器，以覆蓋與太陽光一致的波長范圍，不包括紫外線。隨后，光化學反應和熱效應形成了器件的光熱轉換，團隊在室外自然氣候下晴天和雨天對其進行了測試，具有戶外應用潛力。

TOM的應用：適應性光合作用

研究小組接下來構建了一個帶有注射泵、反應室和光流池的裝置，以監測通過TOM(TransfOrigami)裝置的光合作用流，以實驗驗證TOM變形對光反應的影響。在這些實驗中，Pan等人根據照度、溫度和濕度的值簡化了光合作用的預期環境，以適應不同的輸出。更有利的光反應條件允許達到更高的轉化率。自我可持續的系統可以收集、保存、管理和使用有限的能源。

外表

通過這種方式，YiPan及其同事設計了一種變形微流體裝置，可以從2D轉換為3D，或在不同的3D結構之間轉換，其中動態轉換最終為四維(4D)概念添加了時間維度。4D微流體裝置通過重建具有不同特性、方向、混合效率和流速的微通道來調節流體行為。開創性的、受植物啟發的變形折紙微流體可以通過協調集成在裝置中的刺激響應變形材料來實現自適應光合作用。該團隊使用響應環境溫度、濕度和光輻照度的自驅動彈性體開發了這種結構。Pan等人應用變形來調節光合轉化，并在系統中內置正反饋控制。智能系統為在生物醫學領域開發智能軟設備和人工脈管系統鋪平道路。