南京大學余林蔚Nat. Commun.：納米線塑形微納機械手仿生設計及操控最新研究成果

近年來，微納仿生機器人在精準疾病診斷、藥物研發遞送以及MEMS/NEMS等前沿應用領域受到越來越多的研究關注。其中，開發具有高度靈活性和精準可操作性的微納仿生機器手（Bionic gripper robotics）結構被認為是實現精確遞送、微觀組裝和功能調控等核心功能不可或缺的關鍵技術能力。然而，目前基于微加工或組裝工藝制備的機械手通常尺寸較大（毫米~厘米量級），傳統靜電、電熱或應力驅動方式依賴較高驅動電壓且制動時間較長，不利于實現更高精度、多維度和更為靈活的操控需求。

針對此技術挑戰，南京大學余林蔚教授團隊提出了一種基于超細晶硅納米線（nanowires, NWs）定位生長和形貌編程能力實現的極簡仿生機械手可靠制備和仿生微納機械手操控應用策略。首先，基于課題組自主創新的（In-plane solid-liquid-solid, IPSLS）納米線生長模式 [1-5]，引導生長具有反嵌套Ω環形狀的超長、精細（直徑~100 nm）晶硅納米線；其次，將之組裝成為懸空導電溝道，在磁場背景下通過可精確調控的驅動電流，產生由納米線形貌定向的洛倫茲力，激勵微納機械手實現一些列高靈活、大振幅和多維度的三維夾取、翻轉、扭動和釋放等類手指（finger-like）仿生操作能力。由于采用超細納米線作為機械手支架，并融合了IPSLS納米線獨特的柔性形貌設計優勢，此微納機械手可以在較低的交流驅動電流下實現多模態高頻振蕩（甚至諧振），對于克服在微觀世界中普遍存在的粘性范德華力，實現可靠、精準地載荷釋放，提供了十分有利的調控新維度。最后，基于機械手的“雙手協同”還成功地展示了對micro-LED單元的準確拾取、在線測試和定位安裝。此“單納米線塑形”（single nanowire morphing）極簡微納制備和洛倫茲力驅動策略將為快速設計、定形和驗證各類新穎仿生機器提供一個極其方便、靈活和強大的制備應用平臺，并有望在微生物/細胞操縱、基因工程、精密組裝和高靈敏探測等前沿領域得到廣闊的應用。

此工作以“Ultracompact single-nanowire-morphed grippers driven by vectorial Lorentz forces for dexterous robotic manipulations”為題近期發表于《Nature Communications》。其中，南京大學電子科學與工程學院博士生嚴江同學為論文第一作者，余林蔚教授和劉宗光副研究員為論文通訊作者。此工作的開展得到了南京大學陳坤基教授、徐駿教授、施毅教授和王軍轉教授的支持和指導，以及國家自然科學基金重大研究計劃重點項目、面上和青年項目的資助。

【圖文導讀】

圖1單納米線塑形設計思路及仿生機械手“定位、定形”引導生長、制備和組裝流程。

圖2 洛倫茲力驅動下微納機械手“抓合-釋放”操控。

圖3微納機械手精準拾取、多維操作和振動輔助負載釋放。

圖4 微納機械手“雙手協同”操作實現微球傳遞以及微型LED點亮。

論文信息：Jiang Yan, Ying Zhang, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Jun Xu, Linwei Yu*. Ultracompact single-nanowire-morphed grippers driven by vectorial Lorentz forces for dexterous robotic manipulations. https://www.nature.com/articles/s41467-023-39524-z

相關前期工作:

1.Highly Stretchable High-Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors Integrated on Elastomer Substrates. Xiaopan Song, Ting Zhang, Lei Wu, Ruijin Hu, Wentao Qian, Zongguang Liu,* Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, and Linwei Yu*. Advanced Science. 2022, 2105623.

2.Designable Integration of Silicide Nanowire Springs as Ultra-Compact and Stretchable Electronic Interconnections. Rongrong Yuan, Wentao Qian, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Jun Xu, Kunji Chen, Linwei Yu*. Small, 2021, 2104690.

3.Planar Growth, Integration, and Applications of Semiconducting Nanowires. Ying Sun, Taige Dong, Linwei Yu,* Jun Xu,* Kunji Chen, Advanced Materials, 2020, 32: 1903945.

4.Unprecedented Uniform 3D Growth Integration of 10-Layer Stacked Si Nanowires on Tightly Confined Sidewall Grooves. Ruijin Hu, Shun Xu, Junzhuan Wang,* Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, and Linwei Yu*. Nano Letters, 2020, 20 (10): 7489-7497.

5.Monolithic Integration of Silicon Nanowire Networks as a Soft Wafer for Highly Stretchable and Transparent Electronics. Taige Dong, Ying Sun, Zhimin Zhu, Xiaoxiang Wu, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, and Linwei Yu*. Nano Letters, 2019, 19(9): 6235-6243.

余林蔚教授課題組簡介：https://ese.nju.edu.cn/yly_24153/list.htm

博士后招聘需求2名：

1.微納機械及光電應用方向；

2.硅基集成電路先進工藝。

基本要求：

1.政治立場堅定，遵紀守法，身體健康，符合國家博士后入站基本條件；

2.科研興趣濃厚，具有創新意識，科學態度嚴謹，具有團隊合作精神；

3.英文水平良好，可以流利使用英語閱讀科學文獻及論文寫作。

待遇：30萬或面議

聯系方式：yulinwei@nju.edu.cn