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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
研究背景
最初的目标是制造能够在几十千兆赫(1千兆赫等于109赫兹)的频率下有效导电的电线。这种电线可以用来制造天线，满足下一代移动电话和无线设备的带宽需求。传导频率低于1千兆赫的电线是通过编织细丝制成的。除此之外，日益增长的纳米产品需求也要求发展微观制造方法。
关键问题
制造出能以几十吉赫兹传导的电线，就要求其细丝的直径必须在一微米左右，但微米级纤维容易断裂，现有工业手段难以满足其编织过程。使液体界面变形的物体会受到毛细管力的作用，毛细管力可以用来组装物体。一旦组装，这种结构通常是静态的。而编织过程需要研究物体运动过程。
新思路
有鉴于此，哈佛大学Vinothan N. Manoharan等人通过改变浮动对象周围的边界形状，通过控制其润湿性动态地调节毛细作用力，以可编程的二维模式移动物体。3d打印设备包含通道，利用排斥毛细管力捕获漂浮物体，然后在水浴中垂直移动这些设备。因为通道横截面随着高度而变化，所以被捕获的物体可以在两个维度上被操纵。因此，该装置和接口构成了将垂直运动转换成横向运动的简单机器。本工作设计的机器可以平移、旋转和分离多个漂浮物体，并通过周期性垂直运动对水下物体进行操作。将这些基本的机器结合起来，制造出厘米级的复合机器，将微米级的细丝编织成规定的拓扑结构。毛细管机器通道的形状只需要控制在毛细管长度(几毫米)的范围内，因此，这种机器可以快速廉价地制造出来。这种方法可以用来操纵微米尺度的粒子，或者为高频电子设备编织微丝。
作者通过3D打印空心通道和浮子展示了通道作为“毛细管镊子”捕获和操纵物体过程。作者制备了转换器，旋转器和分离器，将其组合起来可以执行复杂的操作。通编程可实现二维模式操纵和运动模式的选择。将四台基本机器组合在一起，制成了一台编织机,用微米级纤维制造出了无捻三股编织物。作者设计了紧凑且通用的编织机器，可以制造出不重复的编织，这使得这种机器有可能以非易失性方式记录信息。
技术优势：
1、实现了微米级纤维的编织
作者通过打印多通道设备并改变它们的横截面，实现了由微米级纤维的编织。
2、实现了毛细作用力的动态调节
通过改变浮动对象周围的边界形状，通过控制其润湿性动态地调节毛细作用力，实现了可编程的二维模式移动物体
3、机器制造简单、成本低，可同时操作多种物体
即使要操作的对象是微观的，通道的形状也只需要在几毫米尺度上进行控制，可以使用3D打印来制造功能性机器，并且可以同时操作许多物体。机器开发时间很短，可以在一天内设计、打印和测试，使得快速开发成为可能。
4、作者为机器的应用奠定了理论基础
为了研究潜在的应用，作者计算了毛细管镊子中作为设计参数的函数的恢复力，还开发了一个近似的理论，预测陷阱刚度以及稳定运行的范围，为更广泛的应用奠定了理论基础。
技术细节
作者打印了一个厘米级的空心通道，装满水，并在空气-水界面放置一个毫米级的硅盘(一个“浮子”)，在顶部边缘固定住接触线，并通过界面张力保持悬浮。在浮子附近，界面向下弯曲。在亲水壁附近，界面向上弯曲。将浮子从通道中心移开会产生回复力，该回复力来自界面势能和重力势能的增加。因此，通道作为“毛细管镊子”在没有固体接触的情况下捕获物体。镊子也可以在界面的平面内操纵物体。通过垂直移动通道而不是横向移动来操纵浮子。如果通道的横截面随高度变化，浮子“看到”一个随时间变化的边界。不断变化的边界产生的排斥力使浮子移动。
为了转换浮动，打印一个倾斜的通道，实现了力的方向和大小的改变。这种毛细管机器将浮子的垂直运动转换成水平运动。利用多个浮子之间的毛细引力以协调多个浮子的运动。作者展示了机器将垂直运动转换成两个浮子的旋转。使用了一种沿壁带有楔形物的机器在旋转后分离两个圆形浮子，这种机器引入了一种排斥毛细管力，可在没有物理接触的情况下将浮子推开。转换器，旋转器和分离器——可以组合起来执行更复杂的操作。由此产生的复合机器可以向多个浮子施加力和扭矩，使它们能够以编程到通道几何形状中的指定二维模式被操纵。作者增加了第四台基本机器打破了路径反转对称性，实现了将循环运动转化为功，就像在引擎中一样，运动模式可以被编程到同一台机器中。模式是由运动方向选择的。
在本工作的毛细管机器中，可以使用转换器、旋转器和分离器来交换两个浮子的路径。具有重复单元的编织可以通过加入不对称连接和循环操作机器来编码。将四台基本机器组合在一起，制成了一台编织机,用微米级纤维制造出无捻三股编织物。在一个完整的循环中，机器创建了重复编织物。浮子位置的数值计算与测量值非常一致。使用这台机器编织了直径小于10微米的纤维。毛细管编织机具有简单的机械设计，并且可以生产不限于捻合或叠层的编织物。
为了保持机器的紧凑，开发了一种棘轮，它可以旋转浮子，打破路径反向对称，从而取代一个旋转器和两个不对称的连接点。使用棘轮制造了一个紧凑的(2厘米高)机器，它在循环时扭转微米级纤维和一个不需要不对称接头的三股编织机。为了实现编织拓扑被编码在机器的形状中，作者利用了在任何高度逆转机器运动的自由。通过组合三个不对称结创建了一个反向激活开关。当浮子处于开关的操作区域时，反转机器的运动通过特殊通道发送，该通道可用于操纵浮子通过替代路径。
总之，作者制造了一种可以编织微米级纤维的新型机器。这些机器是制造微结构和纳米结构材料的有前景的低成本方式。与其他显微操作方法不同，毛细管机器可以使用一箱水和3D打印机来实现。因为这些机器依靠表面张力，它们的“工作端”(抓取和操纵物体的部分)是一个液体界面。这既是一种优势，也是一种限制——优势是因为它使固体3D打印设备能够固定和改变浮子上的力，而限制是因为要操纵的物体必须在流体中保持物理和化学稳定。为了实现制造高频导体的最初目标，必须设计更复杂的设备，能够同时操纵许多纤维。此外，开发用于其他微制造应用的机器同样重要，例如用微球体构建光学设备的材料。
参考文献：
A machine that uses the surface of water to braid microscopic fibres. Nature (2022).
https://doi.org/10.1038/d41586-022-03326-y
Zeng, C., Faaborg, M.W., Sherif, A. et al. 3D-printed machines that manipulate microscopic objects using capillary forces. Nature (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05234-7
