北科大鄭鈺潔老師使用Phenom SEM加速仿生微米機器人研究進程

目前電控機器人的發展最小尺度約釐米級,再小的話則有化學奈米分子機器人,我們實驗室則在釐米到奈米尺度之間做出光控微機械裝置,實現顯微鏡下自動化的可能。

今天很榮幸邀請到國立台北科技大學光電系副教授鄭鈺潔老師進行訪談,透過我們的介紹讓大家認識光控微米機器人這個創新的研究,以及Phenom桌上型電子顯微鏡如何在研究過程中提供助力,期待未來研究成果能導入實務面,嘗試在生醫領域更進一步。

【學者背景】

Yu-chieh.cheng_Associate_Professor

淺談微米光控機器人製作原理

我們的研究目標是製作微米尺寸的微型機器人,是無法用肉眼觀察到、比髮絲的直徑還要小的結構,這麼小的機器人無法用電控的方式去實現,因為需要乘載電池或用有線的方式提供能源。本實驗室提出利用光控智慧材料可以用來製作光制動器(Light actuator),用液晶去做的一種高分子材料,之所以這個高分子它可以有形變,取決於聚合時透過液晶的排列來調控亮暗與彎曲。而利用光控制材料彎曲達成此機器人靠光行走的能力。更有趣的是,此類的微米機器人可模仿生物結構,例如製作類似於蜘蛛等微小的仿生機器人,能於微米世界裡作抓取、執行一些特定的任務。

要如何製作出微小的三維結構,本實驗室利用雙光子3D列印技術,將此光控彎曲材料能一設計進行微米尺度下的列印。相比於一般需要多次曝光顯影才能得到複雜的三維微奈米結構的半導體製程技術,如FIB聚焦離子束和EBID電子束誘導沉積等,是較難對高分子進行操作。使用的雙光子技術的優點是可以直接快速的對此光敏材料寫出複雜的三維微結構,利用脈衝雷射的聚焦點對材料曝光聚合,在空間中以點到點的方式將想要的結構畫出來。

不同於一般大家耳熟能詳的層積式光固化3D列印,依靠一層一層的光固化而堆積出3D形狀,雙光子因為只有中間的聚焦點才會使材料聚合,雷射光的其餘部分照到則不會聚合,所以跟可製作的結構就更多元了,高度解析度可到幾微米。不止三維結構,更可以利用此雙光子技術製作光柵結構,或是透鏡陣列,最小線寬可達到約200 nm。

微米機器人研究契機

感謝科技部推行的愛因斯坦計畫,鼓勵台灣年輕老師去做創新的研究與研發,才有現在我們微米機器人的研究與成果。

剛回來台灣的時候,發現機械系或電子系的研究成果偏向釐米等級或是更大的機器人,最小也只能做到像螞蟻這麼小,可是再小就直接跳到奈米機器人領域,像是癌症標靶藥物的治療。當我們想在顯微鏡底下觀察細胞時,到現在為止,我們並沒有這樣微米的機器人可以執行,完全都要靠微流體去控制。而一般的電控受限於線路和重量無法製作出微米等級的機器人,所以這區間沒有任何突破、沒有一個自動化的可能。感謝科技部推行的愛因斯坦計畫,鼓勵台灣年輕老師去做創新的研究與研發,才有現在我們微米機器人的研究與成果。

目前有幾種方式嘗試微米機器人的製作,有人提出磁控理論,可惜實作上無法在這麼小的位置做精準的磁場控制;在微小的控制上,用光非常簡單就能完成,搭配我們具有光反應的智慧材料,就可以直接動作,不需要依靠電池與線路,目前製作出來的光控微型機器人已經可以走到定點,突破以往只能簡易前進後退的移動限制了。下一步則是要利用雙光子技術製作出更小的光驅動微米機器人,期待這項研究未來能嘗試運用在生醫領域。

圖一、光驅動微型軟性機器人成品。鄭鈺潔老師研究團隊把剪紙概念應用在微
型機器人的結構設計,施加外力後可使原本2D結構轉化至3D。
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圖二、北科大鄭鈺潔老師與芬蘭坦佩雷大學跨國合作,打造出光驅動的微型
軟性機器人,登上國際頂尖期刊Advanced Materials封面。

目前研究上的困境

我們還在對材料的掌握度進行努力。

一開始是透過剪紙跟摺紙的方式將它從二維的模變成三維的機器人,而現在要一口氣寫成三維,技術上是有難度的。再者我們的光啟動材料偏向軟性材質,所以在做聚合的時候,需要調整很多參數,才能製作出符合的結構成果,目前還在針對比例測試中。同時聚合後要如何使所設計的結構照光形變,這個研究與技術對我們來說是很大的挑戰。使用SEM在觀察方面給我們很大的幫助,SEM可以直觀且快速的觀察它的形變,提升我們研究的腳步。

為什麼選擇Phenom SEM

Phenom SEM 只要30秒就能快速成像,方便我們馬上觀察到成品的細部結構,就可以馬上設定下一個參數值,對我們研究進程幫助非常大。

以前學生時期有接觸過落地款的電子顯微鏡,此類實機雖然能有高解度,操作上需要特別嚴謹且操作繁複,訓練時間要很久。有次因緣際會到澳洲墨爾本參加會議,了解到Phenom SEM桌上型電子顯微鏡,也藉由當地代理商引薦到澳洲大學進行實機展示。對桌上型的電子顯微鏡感到新奇,外型就像一台電腦,整個操作就是非常簡單快速、成像解析度非常好,非常緊湊的系統讓我印象深刻。觀察此微米機器人其實還有另一種設備能夠檢測,如利用光學掃描方式的雷射共焦顯微鏡,但雷射共焦的成像是使用溫度梯圖或是高度梯圖呈現輪廓,而電子顯微鏡SEM除了可看到整個成品的細部結構,更能得到一有深淺、立體感的影像,所以現在選擇了Phenom SEM桌上型電子顯微鏡作為檢測的設備。此外,目前學生的實機操作回饋表示,只要30秒就能成像,之後需對此結構觀察對光或溫度等其他變因下的形變,此快速成像的優勢則是對我們研究進程幫助非常大。

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圖三、光學顯微鏡觀察微結構(x20)
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圖四、使用Phemom SEM桌上型電子顯微鏡觀測分析成品細部3D微結構。

目前技術應用與展望

未來我們希望找到釐米到奈米之間的機器人自動化的可能,能夠有主動抓取細胞或做一些特定任務的機器人,達到顯微鏡下自動化的可能。

而未來我們希望透過雙光子技術搭配SEM的觀測,讓我們找到一個辦法可以做到顯微鏡下自動化的可能。我們希望除了微流體這種被動類型外,能夠有主動抓取細胞或做一些特定任務的機器人可以被發明出來。若有光電、機械、化學、生物相關背景或是有興趣的學生都歡迎加入我們團隊一起築夢踏實。

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