一项发表于《Nature》的研究突破性实现了低电压驱动的3D打印仿生纤毛，首次在微观尺度下精确复刻天然纤毛的运动模式，为微流体操控、微型机器人开发及生命科学研究提供了强大的新工具。
智能速览
2026年3D打印领域首篇《Nature》正刊发表
研究实现低电压驱动水凝胶微纤毛阵列精确运动
采用双光子光刻技术打印出直径2-10微米级纤毛结构
微纤毛能以超40Hz频率运动，历经33万次驱动循环后性能衰减低于30%
成功构建人工海星幼体，为量化研究仿生过程提供可靠平台
精华内容
如何用3D打印技术，在微观世界里复刻生命精巧的运动？这项研究给出了令人瞩目的答案，它不仅是一种技术展示，更是通往未来微纳器件制造的钥匙。
仿生纤毛的诞生
天然纤毛的微米级、高密度排列和复杂三维运动，在生物体中扮演着关键角色，但在人工系统中复刻极具挑战。研究团队选择丙烯酸-丙烯酰胺共聚水凝胶作为材料，利用双光子聚合（TPP）3D打印技术，通过优化切片和填充等工艺参数，将打印结构的孔径缩小至纳米级。
最终成功制造出直径为2–10µm、高度为18–90µm的水凝胶微纤毛阵列，其材料柔软且能在毫秒内响应电刺激，为精准操控奠定了物理基础。
精准电场控制
实现纤毛独立运动的关键在于驱动系统。研究团队开发了一套紧密排列的微电极阵列，电极间距在30–300µm之间，能够产生5000V/m至50000V/m的强电场。
最核心的创新在于，每根纤毛周围都布置了四个可独立控制的电极，这使得单根纤毛的运动轨迹可以被独立编程，实现了从集体同步到个体差异化的精准操控，赋予了微执行器极高的灵活性与智能化水平。
卓越的动力学性能
在电场驱动下，这些3D打印的凝胶微纤毛展现出优异的动力学性能。它们能够以高达40Hz的频率进行三维旋转和弯曲运动，高度模拟了天然纤毛的几何形态与运动特性。
耐久性测试同样表现突出，在连续进行33万次驱动循环后，纤毛阵列依旧保持正常功能，性能衰减率被控制在30%以内，显示了其作为微型执行器的长期工作潜力。
从微观搬运到仿生平台
为验证应用潜力，研究人员构建了一个“人工海星幼体”模型。通过在曲面基体上集成微电极和水凝胶纤毛，成功在电控制下复制了生物幼体用以摄食的复杂涡旋阵列。
这一成果为定量研究流体动力学和主动边界条件提供了一个前所未有的机器人平台。此外，研究还展示了微纤毛与微机械结构集成，通过机械连接将弯曲运动转化为旋转和拍动，展现了在定向颗粒输送及微流控领域的广阔前景。
该研究不仅在材料学与制造技术上取得跨越，更重要的是搭建了一座连接微观仿生与工程应用的桥梁。随着制造工艺的成熟和与柔性电子的结合，这种可编程的微执行器未来将在精准医疗、环境监测等领域扮演何种角色？
