植物脉管系统的健康取决于其对环境刺激的反应能力。以植物为灵感的合成微流控系统很少表现出对环境的响应性。在最近发表在《科学进步》杂志上的一份新报告中，潘毅和中国香港大学机械工程研究团队介绍了生物激发的可转换微流体，其中嵌入了对温度、湿度和光辐照度做出响应的刺激响应材料。该团队设计了一种可折叠的几何结构，并将该设备命名为TransfOrigami microfluidics，缩写为TOM，以突出其转换与折纸结构之间的联系，以用作环境自适应光子反应器。该装置感应到环境刺激，通过形态转换为光合转化提供正反馈。该团队设想将该微系统扩展到更广泛的应用领域，包括人造血管网络和柔性电子设备。
仿生微流体
植物有丰富而复杂的脉管系统，通过组织运输水分和养分，以维持正常的新陈代谢。例如，叶片中的叶脉可以将光合作用产生的营养物质输送到整个叶片中进行运输。这些进展可用于形成具有嵌入式流体通道的人工系统，包括仿生微流控装置。植物可以进化出对环境变化的反应，以便在不断变化的自然环境中发挥良好的功能。感知外部环境并进行调整的潜力被称为相对于光照、温度和湿度变化的环境适应性。在这项工作中，Pan等人受到具有刺激响应结构的植物的生物启发，将这一概念实现为一种可转换的微流控芯片，该芯片具有薄而可折叠的结构上的刺激响应材料。他们的TransfOrigami微流体方法适用于环境适应性光微反应器。该产品可以通过自适应节奏运动激发能源、机器人和医学领域的应用。
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研究小组观察了白天的植物紫叶酢浆草，这种植物可以在阳光照射下展开小叶，晚上可以折叠小叶关闭。基于这一灵感，Pan等人采用了一种薄而可折叠的折纸结构。该团队选择了响应性材料，其中硅弹性体提供了成熟的软光刻方法来支持其微加工。他们将响应刺激的变形折纸集成到一个薄的微流控芯片中，通过传统的软光刻技术进行一些修改，创建了TOM（TransfOrigami）。折纸结构允许在二维平面状态和三维紧凑形式之间进行灵活转换，以创建三维流体运动。科学家们通过开发一种薄的微流控装置来证明这一概念，该装置改进了之前的例子。该团队首先通过光刻技术制作出具有微通道图案的模具，然后在模具上旋涂一层薄薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚物。他们重复了一个类似的步骤，并开发出一个中空区域，以得到一个按照设计形状修整的薄微流控设备。该团队将该设备分为三个区域，包括对角执行器、采光面板和中央执行器。然后，利用扫描电子显微镜，他们确定了成分，并通过能量色散X射线图确定了组成元素。Pan等人观察到，热响应水凝胶聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAM）与该装置的PDMS组成聚合物之间有很强的粘附力。他们用采光面板突出显示了透光区域，而蛇形通道便于设备的功能。
TransfOrigami（TOM）的环境响应性变形
团队接下来量化了汤姆的折叠和展开性能。当暴露在光照下时，TOM逐渐展开，而在低温和高湿度下，它逐渐开始折叠。Pan等人通过测量不同温度或光照条件下不同情况下的展开百分比，量化了TOM的环境响应性。温度在高湿度环境中继续发挥作用。理论上，较厚的pNIPAM驱动层和较薄的PDMS无源层增加了TransfOrigami器件的变形程度。为了在实践中实现这一点，研究人员将聚合物分别设计为最厚和最薄，同时将石墨烯纳米片等光热掺杂剂加入到PDM中，以实现光热响应驱动。该团队采用卤素灯作为日光模拟器，覆盖与日光一致的波长范围，不包括紫外线。随后，光化学反应和热效应形成了该装置的光热转换，研究小组在自然室外气候的晴天和雨天对其进行了测试，具有户外应用的潜力。
TOM的应用：适应性光合作用
研究小组接下来建立了一个带有注射泵、反应室和光流池的装置，用于监测通过TOM（TransfOrigami）设备的光合作用流量，以实验验证TOM变形对光反应的影响。在这些实验中，Pan等人根据照度、温度和湿度值简化了光合作用的预期环境，以适应不同的输出。光反应条件越有利，转化率越高。自我可持续的系统可以收获、保存、管理和使用有限的能源。
见解
通过这种方式，潘毅和同事设计了一种变形微流控设备，可以从2D转换到3D，或者在不同的3D结构之间进行转换，其中动态切换最终为四维（4D）概念增加了一个时间维度。4D微流控装置通过重建具有不同性质、方向、混合效率和流速的微通道来调节流体行为。开创性的、以植物为灵感的变形折纸微流体可以通过协调设置中集成的对刺激敏感的变形材料来实现自适应光合作用。该团队使用对环境温度、湿度和光辐照度敏感的自驱动弹性体开发了该结构。Pan等人利用系统中内置的正反馈控制，应用变形来调节光合转化。科学家们设想，由此产生的基于智能微流体的智能系统将为开发生物医学中的智能软设备和人造血管铺平道路。
漏 2022科学X网络