E-jet打印微纳制造系统:防水&可变视场仿生人工复眼制造

Fabrication of Waterproof Artificial Compound Eyes with Variable Field of View Based on the Bioinspiration from Natural Hierarchical Micro–Nanostructures

Peilin Zhou, Haibo Yu*, Ya Zhong, Wuhao Zou, Zhidong Wang,LianqingLiu*

Nano‑Micro Lett.(2020)12:166

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00499-x

本文亮点

1. 受天然超疏水荷叶表面微纳分级结构的启发,发展了一种简单有效的方法用于具备防水和可变视场性能的人工复眼制造。
2. 所制造的人工复眼展现了良好的防水性能,可调节视场和可变焦距
内容简介

近年来,平面和曲面微透镜阵列在微光学系统和多学科交叉领域的研究和应用越来越广泛。为了满足多种用途的要求,高集成度、微型化和可调节性能已成为微光学系统发展的显著特点。因此,迫切需要探索一种灵活方便的微透镜阵列制造方法。例如,具备防水性能和可变视场(FOV)成像功能的微透镜阵列,可以作为具有先进功能的人工复眼制作微型医学内窥镜,应用于潮湿或狭窄复杂的微腔管道环境中。然而,目前受复杂制造工艺和精度的限制,具有防水功能,视场可调性能的人工复眼仍面临极大的技术挑战。中国科学院沈阳自动化研究所,机器人学国家重点实验室微纳米课题组,受到荷叶的天然超疏水结构的生物启发,依托自主开发的基于电场辅助的高分辨喷墨打印(E-jet打印)微纳制造系统,结合微流控芯片技术,提出了一种制备防水可变视场的仿生人工复眼的新方法。在本文的研究中,采用E-jet打印系统在聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上制备了分级结构的微透镜阵列和纳透镜阵列。集成纳透镜阵列的微透镜阵列薄膜表现出优异的超疏水特性,接触角可达158°。通过集成微流控芯片的辅助调节,微透镜阵列薄膜可以从平面变形到曲面,视场的可调节范围从0到160°。所制备的微透镜阵列可作为平面微透镜阵列和曲面微透镜阵列在潮湿、甚至是水中,在医学内窥镜、微腔环境等领域具有潜在的应用。

图文导读

超疏水人工复眼的仿生分析
本文的研究受天然蜻蜓的复眼结构和天然荷叶的超疏水结构等生物启发。为了探索生物机理,制备仿生结构,如图1a-d首先对天然复眼结构和荷叶的表面结构以及相应的润湿行为开展研究。其中,天然荷叶表面微纳分级结构已被证明是荷叶表面具备超疏水性能的关键因素,荷叶的表面的水接触角(WCA)测量值是大约170°, 显示了自然荷叶出色的超疏水特性,该结构适合作为制造具备防水功能表面的仿生结构模型。据此,我们选择天然蜻蜓的复眼结构和天然荷叶表面超疏水的微纳分级结构,作为研究具有防水性能的人工复眼的基础仿生结构模型。原理模型如图1e所示,包括具有防水性能的柔性微透镜阵列薄膜的制备,以及柔性微透镜阵列薄膜变形成可变视场的人工复眼。
图1. 基于天然蜻蜓复眼和天然荷叶超疏水结构的仿生人工复眼的示意图。(a)天然蜻蜓的照片。(b)天然荷叶的照片。(c)天然荷叶在45°视角的扫描电镜(SEM)图像,插图分别为显示荷叶表面微纳分级结构的高清细节的扫描电镜(SEM)图像,显示荷叶表面测量水接触角(WCA)的光学图像。(d)除掉纳米绒毛的天然荷叶在45°视角的扫描电镜(SEM)图像,插图分别为放大细节的高清扫描电镜(SEM)图像,测量表面水接触角(WCA)的光学图像。(e)防水可变视场人工复眼微透镜阵列的制造过程。
II 防水可变视场人工复眼的制造工艺流程

人工复眼的制造设备和制造工艺流程如图2所示。整个制备过程包括两个步骤:微透镜阵列薄膜的制备和变形。其中如图2a所示为我们自主研发的E-jet打印系统的示意图,以及实验中所用的稳定锥射流和电喷雾打印模式的示意图。考虑到锥射流模式的稳定性和电喷雾模式的高效性,如图2b所示,分别选择这两种模式打印光固化胶(NOA61),分别用于在PDMS薄膜的表面制造微透镜阵列和纳透镜阵列。随后,通过所集成的微流控芯片的精确灵活调节,将柔性微透镜阵列薄膜变形成为可变视场的人工复眼透镜(图2c)。

图2. 防水可变视场人工复眼的制造工艺流程。(a)E-jet打印系统以及用于制造分级微/纳米液滴的稳定锥射流打印和电喷雾打印模式的原理图。(b)在柔性PDMS薄膜上微纳分级透镜阵列的制造过程。(c)基于集成微流控芯片辅助的柔性微透镜阵列薄膜制备可变视场的人工复眼。
III 人工复眼的制造参数分析
图3展示了通过对E-jet打印技术的喷射模式进行数值模拟和实验分析,实现了对微透镜阵列和纳透镜阵列的分级制造过程的参数优化。如图3a-c所示,首先利用COMSOL Multiphysics仿真软件,建立了打印喷嘴尖端与基底之间电场强度空间分布的仿真模型与数值分析。从而,获得了不同的打印喷嘴直径在不同打印模式下工作时所对应施加电压幅值范围(图3d),以及不同尺寸微纳透镜阵列的打印结果和制造参数统计分析结果(图3e-p)。

图3. 利用E-jet打印技术,采用不同的实验参数实现微透镜阵列和纳透镜阵列的分级制造。(a)通过有限元法仿真在外加电压作用下液滴喷射过程中,喷嘴尖端和基底之间的电场强度(E)的分布。(b)和(c)不同内径的打印喷嘴尖端的场强随不同电压幅值和工作距离的变化曲线。(d)采用E-jet打印NOA61墨水过程中,在不同的打印喷嘴和施加电压参数下所对应的打印模式关系图。(e-h)通过稳定锥射流模式所制造不同尺寸微透镜阵列的SEM和AFM扫描图像。(i-l)微透镜的直径、高度和体积分别与所施加电压的幅值和时间之间的关系。(m)和(n)分别为通过稳定的锥射流模式和电喷雾模式制造的纳透镜阵列的AFM扫描图像。(o)和(p)不同分级微透镜阵列和纳透镜阵列的AFM扫描图像。

IV 人工复眼的疏水性能表征与分析

在前述研究的基础上,如图4所示,研究并表征了人工复眼表面的润湿性能。根据研究以及详细统计结果可知,纳透镜的制造频率随着电压的增大而增大,但是随着喷嘴内径的增大而减小(图4a)。同时,纳透镜的直径尺寸分布偏差随着针头内径的增加而增加(图4b-d),1 μm内径的针头所制作的纳透镜具有更好的尺寸均一性。根据测试不同内径喷嘴在PDMS薄膜表面所制造的纳透镜阵列结构所对应的薄膜表面接触角(WCA)(图4e和f),探索人工复眼的疏水性能(图4g和h)。图4i和j展示了用柔性微透镜阵列薄膜制作的人工复眼的SEM图像,其高度、直径、曲率半径和视场分别为0.68 mm,1.6 mm,0.81 mm,和161.5°。根据图4k和l所示的微纳分级透镜的二维AFM扫描图,可知微透镜的平均直径和高度分别是17.55 μm和4.63 μm, 纳透镜的均直径和高度分别是183.8 nm和48.3 nm。
图4. 人工复眼的表征与统计分析。(a-d)不同内径(1 μm 2 μm 10 μm)喷头在电喷雾打印模式下的制造频率与电压幅值之间关系,以及纳米透镜的直径尺寸分布统计曲线图。(e)使用内径1 μm喷嘴制造纳透镜的相对密度与打印路径间距密度的关系曲线。(f)使用内径1 μm喷嘴在PDMS薄膜表面所制造纳透镜的密度与膜表面水接触角(WCA)的关系曲线,插入图像为相应的PDMS薄膜表面接触角(WCA)的光学图像。(g)采用不同纳透镜制造工艺(T1-T4)处理后的柔性微透镜阵列薄膜,所变形制造的人工复眼的水接触角(WCA)测量统计曲线。(h)分别经过不同工艺(T1-T4)处理的人工复眼的表面测量水接触角(WCA)的光学图像。(i)和(j)用柔性微透镜阵列薄膜制作的人工复眼的SEM图像,(i)和(j)中插入的是微纳分级透镜结构的放大图。(k)和(l)微纳分级透镜的二维AFM扫描图以及轮廓曲线,(l)中的嵌入的是图像(k)中所示的纳米透镜的轮廓曲线。
人工复眼的变形机理及聚焦特性分析

图5展示了人工复眼的变形机理和聚焦特性。其中,可调节人工复眼的变形机制的原理如图5a所示,整个变形结构包括柔性的微透镜阵列薄膜,位于薄膜和微流控中心通道充满液体的腔室。其中,液体腔室作为人工复眼的可调节部分相当于人工眼球。图5b展示了微透镜阵列薄膜从平面到曲面可调变形的参数,以及通过调节变形的四种不同视场角的人工复眼的光学图像。结合以上的机理和实验分析,可以得出人工复眼的不同参数与注入腔室内液体体积之间的曲线关系(图5c-f)。为了研究人工复眼的聚焦特性,采用如图5g和i所示的结构,利用有限差分时域法(FDTD)建立了理论仿真模型,模拟入射光线通过平面微透镜阵列和曲面微透镜阵列的光斑聚焦性能。通过对平面和曲面微透镜阵列的理论仿真结果(图5h和j),可以得出在广视角下,人工复眼比平面微透镜阵列具有更好的聚焦性能。

图5. 人工复眼的变形机理和聚焦特性的示意图。(a)通过微流控芯片实现人工复眼的可调节变形的机理。(b)微透镜阵列薄膜从平面到曲面变形的可调参数,红色虚线框中微透镜阵列薄膜在调节变形过程中不同形态的侧向光学图像。(c)和(d)直径分别为1 mm和2 mm的人工眼球的高度和曲率半径分别与微流控芯片注入液体体积之间的关系。(e)和(f)直径为1mm的眼球的视场FOV,焦距和NA与注入液体体积之间的关系。(g)和(h)用时域有限差分法(FDTD)对平面微透镜阵列和曲面微透镜阵列中单个微透镜在不同角度入射光下的焦斑光强分布仿真模拟结果。
VI 人工复眼的成像性能和聚焦性能表征

图6展示了对所制造的人工复眼的光学成像性能和聚焦特性的测试表征。采用如图6a所示的光学成像系统,使用字母“SIA”图案的掩模分别对人工复眼的不同区域的微透镜阵列进行光学成像测试(图6b-d)。随后,为了研究聚焦性能,将字母“SIA”图案的掩模替换为圆形光斑掩模,对具有可调视场的人工复眼的聚焦性能进行测试(图6b-d)。根据图6e-g中对应所圈位置微透镜聚焦光斑强度的归一化分布曲线,可知所制备的人工复眼具有良好的形态均匀性和良好的光学聚焦性能。

图6. 人工复眼的光学成像性能和聚焦特性的测试表征。(a)用于表征人工复眼性能的光学系统示意图。(b-d) 字母“SIA”图案分别通过分布在如图(a)中红色,蓝色,和绿色虚线方框中所对应的人工复眼的中心区域,中间区域,边缘区域的微透镜阵列的聚焦成像。(e-g)人工复眼分别在0°,128°和161°可变视场下的聚焦特性测试。(h-j)分别为图(e-g)对应所圈位置微透镜聚焦光斑强度的归一化分布曲线。
VII 人工复眼的视场性能表征

图7展示了平面微透镜阵列和人工复眼的曲面微透镜阵列的视场特性表征。采用如图7a的表征过程,由不同角度的入射光分别通过平面微透镜阵列(图6b和c)和曲面微透镜阵列(图6d和e)时,获取焦斑分别在x和y方向的光强分布曲线。图7f显示了不同角度(-80°到80°)的入射光通过曲面微透镜阵列中同一单透镜聚焦后,所获得的焦斑光强分布曲线。相比于平面微透镜阵列在倾斜入射光下较弱的聚焦能力, 曲面微透镜阵列显示出更好的聚焦能力。

图7. 平面微透镜阵列和人工复眼的曲面微透镜阵列的视场特性表征。(a)人工复眼视场的光学表征过程示意图。(b)和(c)由光学系统观测表征,不同角度(0°,20°,40°,60°和80°)的入射光通过平面微透镜阵列的焦斑在x和y方向的光强分布, 所插入的光学图像是40°入射光通过平面微透镜阵列中单透镜的焦斑图像。(d)和(e)不同角度(0°,20°,40°,60°和80°)的入射光通过曲面微透镜阵列的焦斑在x和y方向的光强分布, 所插入的光学图像是40°入射光通过曲面微透镜阵列中单透镜的焦斑图像。(f)不同角度(-80°到80°)的入射光通过曲面微透镜阵列中同一单透镜的焦斑光强分布, 所插入的光学图像是0°和40°入射光时的焦斑图像。
在本工作的研究中,我们报道了一种简单有效的方法,用以制造防水可变视场的人工复眼。通过采用E-jet打印技术制造具有超疏水性的微透镜阵列薄膜,该薄膜以柔软的PDMS薄膜为基底,由所覆盖的分级微透镜阵列和纳透镜阵列组成。通过微流控芯片精确控制注入液体的体积,将微透镜阵列薄膜从平面变形到曲面,从而制备出视场可调(0-160°)的人工复眼。
作者简介

刘连庆 研究员 博士生导师

本文通讯作者

中国科学院沈阳自动化研究所

主要研究领域

主要从事微纳机器人学、类生命机器人、微纳制造技术、微纳检测与制造高端科学仪器与装备等研究。

主要研究成果

主持国家自然科学基金杰出青年基金、优秀青年基金,国家重点研发计划,中科院重点部署等多个项目。开展微纳操控技术研究,操纵生命介质与机电系统在分子细胞尺度融合,创建跨介质类生命系统,推动机器人由仿生学向类生学发展。在Science Advances, Nature Communications, Soft Robotics, Small, IEEE Transactions等期刊和会议上发表论文100余篇,16篇论文被 IEEE Transactions on Biomedical Engineering, IEEE Transactions on Nanobio Science, Engineering, Small, Nanoscale, Lab on a Chip, Biophysical Journal等选为亮点/封面。

Email: lqliu@sia.cn

个人主页

http://www.sia.cas.cn/yjdw/jcqn/202009/t20200917_5698861.html

于海波 研究员 博士生导师

本文共同通讯作者

中国科学院沈阳自动化研究所

主要研究领域

主要从事微纳器件、微纳加工制造、微纳光学及生物传感等研究。

主要研究成果

先后负责或参加国家重点研发计划项目、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目、中国科学院重要方向项目、中国科学院国际合作重点项目、欧盟第七框架项目等10余项。共发表论文50余篇,相关论文发表在Science Advances, Small, ACS Applied Materials & Interfaces, Labon a chip, Optics Express, Microfluidicsand Nanofluidics, Applied Physics Letters, Biomedical Microdevices, Biomaterials Science, Optical Materials Express等国际期刊及会议上。申请多项国家发明专利。

Email: yuhaibo@sia.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

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