マイクロアプリケーション向けの表面力の調整に基づいた電気化学グリッパー

Apr 09, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7885 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ロボット操作への既存のアプローチは、多くの場合、油圧および空気圧装置やグリッパーなどの外部機械装置に依存しています。 どちらのタイプのデバイスも、マイクロロボットに適応できるのは困難ですが、ナノロボットにはすべて適応できるわけではありません。 ここでは、グリッパーによって外力を加えるのではなく、作用する表面力自体を調整することに基づいた、根本的に異なるアプローチを紹介します。 力の調整は、電極の拡散層の電気化学的制御によって実現されます。 このような電気化学グリッパーは原子間力顕微鏡に直接組み込むことができ、巨視的なロボット工学で一般的に使用される「ピックアンドプレイス」手順が可能になります。 関係する電位が低いため、小型自律ロボットにはこれらの電気化学グリッパーを装備することもでき、これはソフトロボット工学やナノロボット工学で特に役立ちます。 さらに、これらのグリッパーには可動部品がないため、アクチュエーターの新しいコンセプトに組み込むことができます。 この概念は簡単にスケールダウンして、コロイド、タンパク質、高分子などの幅広いオブジェクトに適用できます。

ロボット工学は 21 世紀の鍵となるテクノロジーです。 現在、ロボットはメートルから数マイクロメートルまでの長さスケールで物体を扱います。 ロボットによるアプローチによって日常的にアクセスできる長さスケールを縮小することは、ナノテクノロジーと医学にとって非常に重要です。 これらの手段に対して、過去数年間、さまざまなマイクロロボットおよびナノロボットのアプローチが追求されてきました。 コロイド領域、つまり数マイクロメートル以下に到達すると、表面力はロボット工学にとってますます重要になり始め、巨視的な世界の確立された概念はもはや適用できなくなります1、2、3、4、5、6、7、 8. 特に、「ピックアンドプレイス」のプロセス、つまり、物体を掴み、持ち上げ、その後定義された位置で放すという複雑なプロセスは、実装がますます困難になってきています9,10。 遍在するファンデルワールス引力 (vdW) と毛細管力 1,11 により、小さな物体は表面に不可逆的に付着します。 したがって、巨視的なロボット工学に一般的なツールであるグリッパー（図 1a、b 参照）は、特別に設計された表面修飾が装備されている場合でも、短い長さでは機能が大幅に制限されます 11、12、13。 原理的にはグリッパーのさらなる小型化を可能にする新しいアクチュエータ システムの開発における最近の進歩14、15にもかかわらず、表面力によって課せられる物理的制限は依然として残るでしょう。 巨視的な世界からツールを最適化するのではなく、表面力自体の操作に依存する新しいアプローチの導入は、ロボット操作プロセスをマイクロおよびナノメートルの低いスケールに拡張するための重要なステップとなります。 これにより、コロイド粒子や高分子を扱うための「ピックアンドプレイス」などの確立された操作プロセスを保存することが可能になります。

マクロからナノスケールまでのロボット操作原理。 (a) 「クラシック」デザインの巨視的 6 軸ロボット。 (b) 巨視的ロボット用のグリッパーアタッチメントと (c) 吸引キャップ。 (d) 顕微操作用の類似のロボット プラットフォーム (ここでは走査型電子顕微鏡、SEM と組み合わせたもの)。 (e) コロイド粒子の取り扱いを可能にする、前述のマイクロマニピュレーション プラットフォーム用のグリッパー。 (f) 原子間力顕微鏡 (AFM) と組み合わせることができる吸盤に相当します。 挿入図は、ナノ流体コントローラーに直接接続できる直径 2 μm の開口部を備えたマイクロ流体中空 AFM カンチレバーを示しています。 (g) SEM におけるハエの目と比較した AFM カンチレバーの先端。 (h) AFM によってせん断力を加えて粒子をサンプル上の規定の場所に移動させることによるナノマニピュレーションの例。 (i) 「ピック」、「配置」、および「リリース」の単一操作ステップがそれぞれ人間の手によって巨視的スケールで示されています。 (j) 「ピック」と「配置」の概念をコロイド領域以降に拡張します。機械的な圧力を加えるのではなく、相互作用の力が外部から調整されます。 緑色は引力相互作用 (つまり、「グリップ」に相当) を示し、赤色は反発相互作用 (つまり、「リリース」に相当) を示します。

グリッパーによるマイクロメートルサイズの物体の操作については、表面粗さの増加やグリッパー表面の化学的表面改質などのアプローチが報告されており、操作プロセス自体は光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡 (SEM) によって追跡することができます16。 。 表面改質の必要性は、長さスケールが減少するにつれて、それぞれファンデルワールス力や毛管力などの表面力の影響が増大していることを示しています（図1d、eを参照）17、18。 特別に設計された表面がなければ、オブジェクトを「ピック」および「配置」することはできますが、その後解放することはできません。 鋭い先端がカンチレバーの端に取り付けられている原子間力顕微鏡 (AFM) (図 1g 参照) は、画像を作成するだけでなく、マイクロおよびナノスケールで物体を操作するためのツールでもあります。 AFM ベースのナノロボティクスの分野は、過去 20 年間で大幅に進歩しました 5、19、20。 しかし、横方向の力を加えるという支配的なアプローチは依然としてほとんど異議を唱えられておらず（図1h）、AFMによるナノマニピュレーションで最もよく使用されている技術です。 それにもかかわらず、AFM と、FluidFM 技術とも呼ばれるナノ流体工学 21,22 を組み合わせることで、吸引キャップの顕微鏡的類似物 (図 1c 参照) がコロイドスケールで利用可能になりました。 この技術により、力制御下で 300 nm ほどのコロイド物体を扱うことができ、相互作用力を直接測定できるようになります (図 1f を参照) 23。 しかし、この技術の大きな欠点は、外部圧力コントローラーと組み合わせたマイクロチャネルカンチレバーが必要であり、自律型ロボットの小型化が不可能であるという事実にあります。

ここでは、グリッパーや吸引キャップ（図1b、cを参照）などの小型ツールを利用したり、せん断力を適用したりするのではなく、相互作用力を外部から調整することに基づいた、液体環境におけるマイクロおよびナノロボット操作のための新しいアプローチを提案します。 、 それぞれ。 したがって、「ピック アンド プレース」プロセス (図 1a 参照) は、従来のグリッパーによって「外部」力を加えるのではなく、表面力自体を制御することに基づいています。 図 1i のシーケンスは、グリッパー (または私たちの手) を使った操作プロセスの類似性を示しています。物体を握る代わりに、強い引力の相互作用力の「スイッチを入れ」ます (図 1j を参照)。この力は持ち上げている間も適用されます。そして転送。 物体は、強い引力を「スイッチオフ」し、その後、物体と基板の間に作用するよりも弱い相互作用に切り替えることによって解放されます。 したがって、AFM カンチレバーとコロイド物体の間の接着力を調整することにより、複雑な機械装置を使用せずにコロイド長スケールでの操作に対する直接的なアプローチが提供されます。 これまでに、ガス雰囲気中の電場に基づいた少数のマイクロマニピュレーション技術が報告されています 24,25。 ただし、結果として生じる画像電荷と必要な大きな電界強度により、このアプローチは液体中での操作が容易ではありません 26。 私たちの知る限り、電気化学的制御によるマイクロマニピュレーションの例はわずかしかありません。1 つのアプローチは、外部電位によるヒドロゲルの表面特性の切り替えに基づいています 27。 ただし、適切な表面化学を持つオブジェクトのみを操作できます。 別のアプローチは金属物体のみについて報告されています28。 対照的に、電気化学に基づく多数の作動システムが過去に報告されている29、30、31、32。

コロイド物体の相互作用は、さまざまな種類の表面力によって支配されます 18,33。 液体環境におけるどの表面力が調整可能で、十分に強いでしょうか? ファンデルワールス力は遍在しますが、それぞれ材料自体または媒体を交換することなく変更することはできません。 さらに、ファンデルワールス力は、特に液体環境ではかなり弱くなります。 毛細管力は周囲条件下でのみ存在するため、ここでは関係ありません。 溶媒を排除すると、かなり強い接着力が生じる可能性があります34、35、36。 ただし、これらの力は表面化学を変更することによってのみ調整でき、それには複雑なコーティングと温度や光などの外部刺激が必要です 37,38。 コロイド科学における唯一残っている力の寄与は、電解質溶液中の帯電した表面から生じる拡散層の重なりから生じます。 拡散層 (DL) の概念は電気化学に由来しており、DL の拡張は電解質溶液の組成と電極に印加される電位に大きく依存します。 拡散層の力は、電極上のコロイド粒子の付着に影響を与えることが知られており、これらの力は、AFM39、40、41、42 に基づくコロイドプローブ技術によって以前に研究されています。 コロイドプローブは、単一のコロイド粒子を AFM カンチレバーの端に取り付けることによって作成される力センサーです43、44、45、46。 ここでは、別のアプローチに従います。外部ポテンショスタットに接続された適切な平坦な電極を AFM カンチレバーに装備することで、AFM カンチレバーを「電気化学グリッパー」に変換し、液体環境内のコロイド状物体をハンドリングします。 「ピックアンドプレイス」手順。

この研究では、直径数ミクロンのコロイダルシリカ粒子を操作することによって、AFM ベースの電気化学グリッパーの原理が証明されました。 この直径の選択により、粒子が表面力による相互作用に支配されるほど小さいにもかかわらず、光学顕微鏡で粒子を直接視覚化することが可能になります 33。 図2aは、実験セットアップの概略図を示しています（補足図1も参照）。市販のAFMが倒立光学顕微鏡の上部に取り付けられました。 意図的に作られた電気化学セルにより、作用電極に規定の電位を印加することができます。作用電極は、ここでは改良型 AFM カンチレバーの先端に組み込まれています。 図 2b は、このような意図的に作られたカンチレバーの走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像を示しています。 これらのカスタムメイドのカンチレバーは、電極として機能する前部を除いて完全に絶縁されていました。

AFM カンチレバー上の電気化学グリッパーの準備と特性評価。 (a) ポテンシオスタットによって AFM カンチレバーの端にある電極を制御するための電気化学セットアップの概略図。 電気化学セルを倒立光学顕微鏡の上に置きました。 (b) 絶縁層が前面で選択的に除去されたカンチレバーの SEM 画像。 (c) 準備ステップの概略図: 両面から金でコーティングされた AFM カンチレバー上に電着塗料の絶縁層が堆積されています。 次に、この絶縁層は FIB フライス加工によってカンチレバーの頂点から部分的に除去されます。 (d) それによってカンチレバー上に形成された電極のサイクリック ボルタモグラム (CV)。電気化学グリッパーとして機能します。 CV は、完全に絶縁されたカンチレバー (赤) と比較して、電極が電気化学的に活性である (黒) ことを確認します。

図 2c は、電気化学グリッパーと呼ばれるこれらのカンチレバーの準備の概要を示しています。 これらのグリッパーは、細い絶縁ワイヤと銀塗装によって電気的に接続された、Au コーティングされたチップレス AFM カンチレバー (図 2c、左を参照) から作成されました。 次に、これらのカンチレバーは陰極電着塗料の堆積によって完全に絶縁されました (図 2c、中央左を参照)。 次の準備ステップでは、後の電極領域を表すカンチレバーの頂点でのみ絶縁体が除去されました。 除去は、SEM での集束イオンビーム (FIB) ミリングによって実行されました。 （図2c、中央右、さらなる詳細は補足図2および3にも示されています）。 絶縁という点では、このプロセスは電気化学コロイドプローブの調製のために最近提示されたプロセスと似ています 47。 カンチレバーの前部のみが電気化学的に活性であることを確認するために(図2c、右参照)、サイクリックボルタンメトリーを実行しました(図2d参照)。 サイクロボルタンモグラム (CV) では、印加された電位が上昇し、その結果生じる電流が取得されます 48。 〜25 μm より大きい寸法の巨視的な電極では、電気化学的酸化還元対に特有の孤立した酸化および還元ピークが見つかります。 対照的に、より小さい寸法、つまりマイクロ電極およびナノ電極の場合は、S 字状の形状が予想されます 48。 ここで、酸化還元対はフェロシアン化カリウムとフェリシアン化カリウムです49。 私たちの実験で使用した類似の条件に対応するピークは、それぞれ 0.120 V および 0.240 V (対 SCE) であると報告されています50。 ここで用意したカンチレバーの先端の電極面積は A = 645 µm2 (三角形で近似) になります。 したがって、その限界寸法は、ちょうどマクロ電極とマイクロ電極の間の移行領域に収まります。 その結果、全体的なシグモイド形状に重ね合わされた、予想される電位での小さな酸化および還元ピークが観察されました（図2bを参照）。 コーティングの絶縁特性を検証するために、FIB 処理の前にカンチレバーの CV を取得し、完全な絶縁層を取得する追加の実験を実行しました。 CV では顕著な電気化学的活性は観察されませんでした。 電気化学実験（補足図4を参照）およびカンチレバーの準備（補足図2および3を参照）の詳細については、SIに記載されています。

定義された方法での表面力の調整に基づいたマイクロマニピュレーションを確立するには、まず作用する力の寄与を定量化する必要がありました。 ここでは 2 セットの相互作用力が重要です。1 つはシリカ粒子と基板の間の力です。 後者はホウケイ酸ガラスで作られた顕微鏡スライドでした。 2 番目は、粒子と電気化学グリッパーの電極の間の力です。 この電極は AFM カンチレバーに組み込まれており (図 2 を参照)、その電位はポテンショスタットによって外部から制御されます。

図 3 は、シリカ粒子と基板の間の相互作用力がどのように決定されたかを示しています。我々は、粒子を AFM カンチレバーに永久的に付着させることにより、いわゆる「コロイドプローブ」を準備しました 43,44。 このような「古典的な」コロイドプローブを使用すると、コロイド粒子と明確な球面/平面形状の平らな基板の間の相互作用力プロファイルの取得が可能になります51。 相互作用力プロファイルは、z ピエゾを基板の方向に傾斜させ、同時にコロイドプローブに作用する力をピエゾ変位と分離距離の関数としてそれぞれ検出することによって取得されました。 測定原理の概略図を図 3a に示し、例示的な力対距離曲線を図 3b に示します。

基板と粒子の相互作用。 (a) 球面/平面形状における従来のコロイドプローブ AFM による直接力測定の概略図。 シリカ粒子 (コロイドプローブ) はカンチレバーに永久的に取り付けられており、作用する力が同時に感知されながらサンプル表面に接近します。 したがって、長距離力を決定することができます。 動きを反転すると、さらに接着力 (FAdh) を測定できます。 (b) 電解質溶液 (pH = 4.0、I = 0.1 mM) 中で裸のガラス表面と相互作用するシリカ粒子の力対距離曲線の例。 ほとんどの場合、癒着は検出されませんでした。 (c) 同じ条件下でのシリカ粒子とシラン修飾ガラス表面 (接触角 θ = 48°) の相互作用の力対距離曲線の例。 ここでは、強力な接着挙動が存在しますが、これは溶媒の排除に起因すると考えられます。 (d) 両方の基板上で得られた接着力の分布。 各基板について、少なくとも 30 のフォース カーブが測定されました (e) 溶媒排除が液相との界面の「作成」と「破壊」による接着挙動をどのように制御するかを示す概略図。 各界面はそれぞれの界面エネルギー γ によって決まります (上)。

大きな分離から開始すると、最初は相互作用力は検出できませんでした。 距離が減少するにつれて、拡散層の重なりによる力が作用し始めます。 図 3b では、ガラス表面とシリカコロイドの両方が負に帯電しているため、予想通り、拡散層の力は反発的でした 52,53。 拡散層の重なりについて予想どおり、指数関数的な力の法則が回復される可能性があります。 電荷制御を含むポアソン・ボルツマン方程式の完全解に基づく相互作用力プロファイルの定量的分析は、SIに示されています（補足図6を参照）。 さらに、引力は検出されず、これはコロイド粒子および電極上の実質的な表面粗さに起因すると考えられる54、55。 コロイドプローブと基板が接触すると、相互作用は接触力学によってさらに支配されます 33,51。 ピエゾ変位が増加するにつれて、粒子は、事前に定義された最大負荷力に達するまで基板に対してますます押し付けられ、そこで z ピエゾの動きが逆転します。 接触領域の接着力により、2 つの表面は接触したままになります。 ある時点で、カンチレバーの復元力が接着力を上回り、最終的に接触からの飛び出しが起こりました。 接着力への寄与は、拡散層の重なりやファンデルワールス力といった長距離の寄与だけでなく、化学結合や溶媒の排除などの接触領域内の寄与によっても与えられます。 疎水化処理されたガラス基板ではより強い接着力が観察されます。その例を図 3c に示します。

基板の界面特性は、疎水性の自己組織化単分子層（SAM）を形成するメトキシ（ジメチル）オクチルシラン（MDOS）を用いた気相シラン化により、規定の方法で変化させることができます56,57。 疎水性の程度は、接触角 θ の静的測定によって検証されています (補足表 1 を参照)。 親水性の裸のガラス表面（θ < 15°）に加えて、ここでは、異なる暴露時間での気相シラン化によって得られたシリカ粒子と SAM の間の相互作用を研究しました。 得られた接触角は、それぞれθ = 48°±1°、θ = 77°±6°、およびθ = 101°±3°でした（図4fおよび補足表1を参照）。 図３ｄは、シリカコロイドプローブおよび裸ガラス表面（図３ｂ参照）およびθ＝４８°の基板（図３ｃ参照）を用いて取得された例示的な力プロファイルの接着力の分布を比較する。 これら 2 つの基板の接着力は大きく異なりました。 シラン修飾サンプルの場合、接着力 (FAdh/R = 675 ± 52 μN/m) は、裸のガラス表面 (FAdh/R = 10 ± 19 μN/m) よりもはるかに大きかった。 対応する付着力分布は広い分布を示します。 理由は多岐にわたりますが、主に表面の粗さと単一分子レベルの変動に起因すると考えられます58、59、60。 接触領域での作用力のみを考慮するジョンソン・ケンドール・ロバーツ（JKR）理論の枠組みでは、付着力は球面相互作用幾何学における FAdh/R = 1.5πWadh によって与えられます 33。

粒子と電気化学グリッパーとの相互作用。 (a) シリカ粒子と「電気化学グリッパー」（つまり、統合電極を備えたカンチレバー）の間の相互作用力プロファイルがどのように決定されたかを示す概略図。シリカ粒子は平らな基板に接着されており、動かないままです。 (b) ϕgripping = + 726 mV の印加電位に対する力対距離の曲線の例。 この電位では、長距離の力が引力となり、大きな付着力が観察されます。 (c) ϕrelease = − 474 mV の印加電位に対する例示的な力対距離曲線。 長距離の力は完全に反発し、付着は観察されません。 (d) ϕグリップ = + 726 mV および ϕ リリース = − 474 mV の接着力 FAdh の分布。 両方の電位について、少なくとも 30 の力曲線が測定されました (e) 拡散層の重なりがどのように相互作用力を支配し、したがって非疎水性電極表面の接着力も支配するかを示す概略図。 電極と粒子の拡散イオン層の重なりにより浸透圧が生じ、その結果生じる力は反発力 (同様に帯電した対イオン) または引力 (異なる帯電対イオン) になります。 (f) 外部から印加された電位の関数としての接着力がまとめられています。 また、比較のために、異なる修飾を施したガラス表面 (θ < 15°、θ = 48°、θ = 77°、θ = 101°) の接着力を、対応する接触角測定の画像とともに示します。 外部から印加された電位により、接着剤の挙動を高度な接着性 (緑色、「グリップ」) から高度な反発性 (赤色、「リリース」) に切り替えることができました。

JKR 理論は一般に金表面に適用され 34、35、36 、ここでも溶媒排除のみによる (つまり、定電位制御による静電寄与なしの) 接着力の解釈にも利用されています。 付着仕事 Wadh = γ13 + γ23 − γ12 は、生成された界面 (γ(1,3) および γ(2,3)) と破壊された界面 (γ(1,2)) の界面エネルギー γ によって与えられます (cf.図3e)。 裸のガラス表面とシリカ粒子の親水性と表面化学は類似しており (γ(1,3)、γ(2,3) ≈ 1.6 mN/m)41、溶媒排除による接着への寄与はわずかです。 したがって、反発し、2 つの表面を互いに遠ざける拡散層の相互作用が支配的になり、接着挙動が生じなくなります。 シリカ粒子がガラス表面に付着する場合はごくわずかです。 一方、ガラス上に疎水性エンティティが追加されると、γ(1,3) の値は、溶媒の排除が拡散層の反発を支配する点まで増加します。 この発見は、接触角がより高い基板上の接着力によって裏付けられています (図 4 を参照)。

図4aは、シリカコロイド粒子と電気化学グリッパーの電極の間の相互作用力がどのように決定されるかを概略的に示しています。 我々は、コロイド粒子が固体基板上に接着剤によって固定され、電気化学グリッパーを備えた定電位制御されたカンチレバーが粒子の真上に配置される特別な相互作用幾何学構造を導入しました。 この相互作用幾何学形状は、コロイドプローブ内に存在する従来の球体／平面構成に関して実質的に「反転」している（図３ａ、４ａを参照）。 カンチレバー上の金電極は、定義された方法で電極を親水性にするために、OH 基で終わるチオールベースの SAM によって修飾されています。 したがって、溶媒の排除は、それぞれガラスとシリカの場合のように、修飾電極との接着挙動に大きく寄与するとは予想されません 41。 図４ｂ、ｃは、異なる印加電位における定電位制御下のカンチレバーの２つの例示的な力プロファイルを表す。 これらの例示的な力プロファイルは、各ポテンシャルに対して取得された一連の力対距離曲線（ｎ＝３０）から選択されたものである。 図 4b は、非常に正の電位 (φgripping = +726 mV) で取得された力のプロファイルを示しています。 この場合、コロイドと電極の表面は逆に帯電します。 結果として、粒子とグリッパーの間の接近時に長距離にわたる静電力が引き寄せられます。 同じことが接着力にも当てはまり、静電気引力が溶媒の排除に重なります。 対照的に、図4cは、非常に負の印加電位（ϕrelease = - 474 mV）で取得された力のプロファイルを示しています。 2 つの負に帯電した表面間の相互作用で予想されるように、接近すると、長距離の力は距離範囲全体にわたって反発します。 さらに、表面間の付着は検出されません。 図 4d は、各電位で取得されたすべての力プロファイル (n=30) から決定された、これら 2 つの印加電位における接着力の対応する分布を示しています。 関係する 2 つの表面の親水性により、接着力は主に拡散層の重なりによる長距離相互作用力を反映します。 後者は、2 つの表面が接触する前の接近にも作用します。 負の電位では接着が起こらず、表面が接触している場合でも相互作用は完全に反発したままであることに気づきました。 ファンデルワールス力による引力の寄与は、表面粗さにより大幅に減少することに注意してください58,59。

外部電位の関数としての接着力の変化は、平面電極上ではあるが、以前に報告されている。 それは、コロイドプローブによって球/平面幾何学で調査されています41、61、62。 我々は最近、拡散層の重なりによる長距離相互作用力の寄与が接着力の調整に不可欠であることを実証することができました41。 図 4e は、拡散層の重なりによる力の影響を概略的に示し、ポテンショスタットによって印加される電位の関数として電極上の拡散層がどのように変化するかを示しています。 非常に負の電位の場合、拡散層は次のような陽イオンで構成されます。対イオンが形成されますが、非常に正の電位の場合は陰イオンが対イオンを形成します。 拡散層は、イオン組成が再びバルク濃度に達するまで、電極の表面から指数関数的に減衰します。 イオン強度 0.1 mM では、デバイ長 30 nm で指数関数的減衰が起こります 33。 測定は pH 4.0 で行われたため、シリカコロイド粒子はわずかに負の拡散層電荷を持っています。 絶縁体としてのシリカは、電極に外部から印加された電位の関数として拡散層の特性を変化させません41、63、64。 シリカの拡散層と電極の 1 つが重なると、負の電位の場合に反発力が生じます。 (図 4e 下部を参照)。 対照的に、非常に正のポテンシャルは引力相互作用力をもたらします (図 4e 上を参照)。

外部信号によって定義された方法で接着を調整することが、AFM によるナノマニピュレーションのアプローチの鍵となります。 図 4f は、印加電位範囲 (SCE に対して ϕ = − 474 mV ～ ϕ = +726 mV) における接着力のデータをまとめたものです。 各データ ポイントは、図 4d に示すデータと同様の分布に由来します。 電位範囲 ϕ = − 474 mV ～ +136 mV では、粒子とグリッパーの電極の間に接着は観察されません。 この場合、付着力の欠如、すなわち電極に対する粒子の「非付着」により、「掴まれた」粒子が基板に放出されることになる。 このプロセスを、以下ではパーティクルを「配置する」と呼びます。 その代わりに、電位 ϕ > + 136 mV では、印加電位の増加に伴って接着力は単調増加しました。 したがって、粒子とグリッパ上の電極との間の付着力は、粒子と基板との間の付着力よりも大きくなる。 したがって、これらの電位により、粒子がグリッパーに「くっつく」ため、基板から粒子を「掴む」または「拾う」ことが可能になります。 この遷移はゼロ電荷 (pzc) の電位と一致します。この電位では、電極は実質的に帯電されておらず、長距離の力は最小限になります 41,64。 pzc より小さい外部ポテンシャルの場合、粒子と電極が同様に帯電するため、拡散層の相互作用は反発的になります。 pzc を超える電位では、電極はその電荷を正に反転させます。 その結果、接近時の長距離力は引力となり、付着力は印加電位の増加とともに単調増加します。 同様の接着挙動は、同様の表面改質を施した平面電極の研究で以前に報告されています 41。 ただし、FIB で作製した電極と平面電極の pzc を直接比較することはできません。前者の結晶表面の違いにより pzc65、66 のシフトが生じるからです。 特に、FIB 処理が施された表面では、この影響が非常に顕著であり、粗さの増加につながります 67。 2 種類の電極間のより詳細な比較は、SI に示されています (補足図 7 を参照)。 図4fのデータは、外部ポテンシャルが反発挙動、つまり粒子の「配置」を引き起こす領域と、引力相互作用力、つまり粒子の「グリップ」に対応するポテンシャルの領域に分割できます。基板から。

電気化学グリッパーを使用して実行される「ピック アンド プレース」手順は、粒子がより高い付着力が存在する表面に移動する可能性が最も高いという原理を利用しています。 以下では、適切な電位が電気化学グリッパーに印加されている場合、このプロセスが高い確率で起こることを示します。 したがって、電気化学グリッパーがガラス基板上にある粒子上に配置される場合、引力ポテンシャル ϕ (たとえば、グリップ力、図 3b と比較した図 4b の付着力を参照) がグリッパー電極リード線に適用されます。ガラスと比較して、粒子と電気化学グリッパーの間の接着力が大きくなります。 カンチレバー (つまり、電気化学グリッパー) を後退させると、より高い接着力によって粒子がグリッパーに付着するため、粒子は「掴まれ」(または「摘み取られ」) ます。 それにもかかわらず、電気化学的グリッパの電極に非常に負の電位（例えば、φ解放）が印加されると、それは再び基板に「解放」される可能性がある。 この場合、相互作用は基板よりも電極との方が反発的になります。

φグリップとそれに続くφリリースによる移動プロセスは、ある確率でのみ発生します。 この確率は、印加された電位と基材の界面エネルギーに依存し、これらを組み合わせた合計の接着力が決まります。 総接着力に影響を与えるさまざまなパラメータ、特に外部から印加された電位からの依存性（図4fを参照）は、逆幾何学ではあるものの、他の場所で詳細に研究されています41。 要約すると、接着力は外部から印加された電位にほぼ直線的に依存しますが（図4fを参照）、界面エネルギー（親水性から疎水性）により接着力のオフセットが生じます41。 非常に正の電位、つまり ϕgripping = +726 mV vs. SCE が基板から粒子を除去する信頼性の高い手段となることを実証するために、この電位でさまざまな基板を使用して実験を実行しました。裸のガラス基板の場合、基板からカンチレバーへの粒子の飛来は事実上常に発生しているため、成功率は ξ ≈ 1 (n > 30) であると考えられています。 ただし、わずかに疎水性のシラン修飾基板（θ = 77°、図4fを参照）の場合、基板からの粒子のピック成功率は約ξ = 0.2（n = 45）であることが光学顕微鏡で観察されました。 。 対応するシーケンスを図 5a に示します。 したがって、疎水性基板上でも、溶媒の排除や拡散層の重なりによる不利な力の分配にもかかわらず、粒子のグリップは可能です。

電気化学グリッパーによる粒子操作。 (a) シラン修飾ガラス基板からコロイダルシリカ粒子を「グリップ」する成功したイベントの時系列 (θ = 77°)。 右側の概略図に示すように、粒子は固定化されていません。 0.2 の成功確率が観察されていますが、裸のガラス (θ < 15°) では事実上すべてのピックアップ イベントが成功しています。 (bg) 「電気化学グリッパー」による単一粒子のさまざまな操作ステップのシーケンス。 カンチレバーは魅力的な「グリップ」電位 (緑色) に設定され (b)、粒子の上に配置されます (c)。 カンチレバーを後退させると、粒子はカンチレバーに付着したままになります (d)。 カンチレバーは新しい位置に移動され、表面上に配置されます (e)。 インタラクションが「反発」(赤色)に切り替わります(f)。 次に、カンチレバーが表面から離れるように移動され、基板上にある移送された粒子が「解放」されます (g)。

図 5b ～ f は、裸のガラス基板上の単一コロイド粒子の定義された操作に電気化学グリッパーの実装がどのように利用されているかを示しています。 このプロセスは光学顕微鏡によって追跡されました。 高い正の電位（φgripping = +726 mV）をグリッパー電極に印加することにより、粒子との接着は、基板との粒子の接着と比較して良好なものとなります（図5bを参照）。 その結果、カンチレバーが基板から後退したとき、粒子は電極上に残りました（図5cを参照）。 したがって、粒子は表面力を調整することによってのみ「グリップ」されます。 表面から約 10 μm 離れた後、グリッパーを備えたカンチレバーを新しい位置に移動し (図 5d を参照)、そこでカンチレバーは再び表面に近づきます (図 5e を参照)。 負の電位（ϕrelease = − 474 mV）が印加されており（図5fを参照）、これにより電気化学グリッパーと粒子の間に高度な反発相互作用が生じます。 その結果、カンチレバーの後退時に、移送された粒子が基板上の新しい位置で「放出」されます（図5gを参照）。 両方の表面がマイナスに帯電しているため、裸のガラスと粒子の間の相互作用はわずかに反発することに注意する必要があります。 電気化学グリッパー、つまり AFM カンチレバーの動きは、基板上の粒子付近の液体の流体力学的動きと関係しており、AFM の圧電アクチュエーターが動かされたときにこれらの粒子のわずかな横方向の動きも引き起こします。早すぎる。 ただし、このような意図しない横方向の動きは、粒子の掴みとは明確に区別できます。粒子の掴みの場合、粒子はカンチレバーに付着したままであるからです。

単一粒子を順次操作することで、ロボット工学で一般的なより複雑なタスクを実行できるようになります。 原理の証明として、図 6 に示す 2 つの構造を準備しました。粒子配置の例は、「原子間力顕微鏡」と「物理化学 II」を表す略語「AFM」と「PC II」を表しています。 操作プロセスにはそれぞれ約 120 分と 60 分を要しました。 これらの構造を組み立てるために、単一粒子は「ピックアンドプレース」、より具体的には「グリップアンドリリース」プロセスによって連続的に操作されてきました。 ここでは、個々の粒子も複数回操作されました。 「AFM」を書くプロセス全体を示すタイムラプスムービー（図6aを参照）は、補足ムービー1で利用できます。 2つの異なる基板、つまり裸のガラススライド（「AFM」、図6aを参照）上に構造を準備しました。 .6a) および部分的にシラン修飾されたスライドガラス (θ ≈ 48°、PC II、図 6c 参照)。 さまざまな基板により、広範囲の表面化学に対して操作を実行できることが実証されました。 さらに、このアプローチでは、アクセス可能な作業領域のサイズは、使用される液体セルのサイズによってのみ制限されます。 後者の基板には、堆積した粒子と基板の間の接着力がより強いため、製造された構造がより安定に保たれるという利点があります。

電気化学的操作による複雑な構造の作成。 (a) 裸のガラス基板上の粒子構造。 破線は、「AFM」というテキストを強調表示するためにのみ機能します。 (b) 上に示した構造の概略図。 (c) 別の構造ですが、シラン修飾ガラス スライド上に形成されました (θ = 48°)。 接着力が大きくなり、より安定した構造が得られますが、グリップ確率は低くなります。 略語「PC II」は「物理化学 II」を表します。 (d) (c) の構造の概略図。

電気化学による表面力の調整は、複雑なグリッパーやナノ流体プローブを必要としないため、マイクロロボットおよびナノロボットにとって非常に普遍的なアプローチです。 最も重要なのは、簡単にスケールダウンできることです。 ここで紹介する電気化学的アプローチは、既存の市販の AFM に直接統合できます。 電位を適用することによる表面力の調整は、pH 値や照明の観点から表面特性を変更する刺激応答層に比べて、はるかに直接的かつ高速です。 特に、電気化学グリッパは、ほとんどの市販のポテンシオスタットが直接接続できるのと同様に、非常に直接的な方法でコンピュータに接続できます。 単純な電気信号をトリガーとして使用して、オブジェクトを「ピック」および「リリース」することができます。 これにより、巨視的なロボット工学に一般的な操作アルゴリズム、特に「ピック アンド プレイス」を「模倣」することが容易に可能になります (図 1 参照)。

電気化学的アプローチの一般的な考え方は、空気中での静電気力の適用に何らかの形で関連しています 6,24,38,68。 ただし、長距離にわたる静電力は空気または真空でのみ作用し、大きな電位と十分な固有電荷を持つ物体を必要とします。 対照的に、電気化学グリッパーも「電気」アプローチを表しますが、小さな電流と電位で動作し、最も重要なことに、液体、特に電解質中での作業は、この電気化学的アプローチの本来の環境を表します。 機械部品がないため小型化が可能で、外部の油圧ポンプや空圧ポンプも必要ありません。 したがって、これまでに提示された自律的なマイクロロボットおよびナノロボットのアプローチに組み込むことができます69。 ここで印加される電位は、水の電気分解が起こる電位と比較して十分に小さいことに注意する必要があります (E = + 1.23 V vs SHE cf. ref.70)。したがって、気泡の発生は観察されず、平坦な電極や電気化学グリッパーには使用できません。

現在、AFM によるマイクロおよびナノ操作は、実質的にもっぱらチップで横方向の力を加え、基板上で物体を「押す」または「引きずる」ことに基づいています。 この確立されたアプローチの限界は明らかです。一方では機械的損傷の危険があり、他方では二次元構造への制限があります。 対照的に、電気化学グリッパーは、これらの制限を克服できるだけでなく、より普遍的なアプローチでもあります。 簡単にスケールダウンでき、自律ロボットやソフト ロボットなどのロボット工学による他のアプローチと統合することもできます。 オブジェクトを「掴み」、定義された位置に配置し、その後「解放」することで、せん断力はかかりません。 このような力はサンプル、特に柔らかい生物学的サンプルを破壊することが知られています。 さらに、「グリップ」は、プッシュ操作の中心的な問題を回避します。プロセス中、操作する必要があるオブジェクトは基板と接触したままにしておく必要があります。 したがって、構造を三次元に拡張したり、粗い基板上で操作したりすることは、本質的に問題があり、あるいは不可能です。 さらに、この技術では、ファンデルワールス力によって互いに付着している物体、たとえばコロイド粒子を分離することはできません。 粒子間の接着力が強すぎて、外部から加えられた電位による反発力では克服できない場合にも、同じことが当てはまります。 しかし、二次元構造の作製に重点を置いた操作実験では、通常、このような状況には遭遇しませんでした。 3D 構造の場合、こうした状況はより高度に発生します。

電気化学グリッパーのもう 1 つの重要な利点は、AFM ベースのナノマニピュレーションおよびマクロ/マイクロ ロボット工学による既存のアルゴリズムとそれらを統合できる可能性です 20,71,72,73。 一般に、AFM ベースのナノマニピュレーションは、せん断力を適用して粒子または物体を横方向に押すことに基づいています。 イメージングと操作は両方とも AFM8 に基づいています。 異なるポテンシャルを適用することにより、粒子を直接選択して配置することが可能であると同時に、反発相互作用を引き起こすポテンシャルを使用したイメージングも可能です。 電気化学グリッパーと AFM を接続する場合、位置決めの精度は、オングストローム レベルのピエゾ スキャナーの横方向の分解能によって決まります。 ただし、ステッピング モーターによる粗い位置決めと組み合わせると、実際には範囲は液体セルの寸法によってのみ制限されます。 粒子が光学顕微鏡で識別できるほど大きい場合は、光学顕微鏡または電子顕微鏡と組み合わせた自動顕微操作によって利用されるアルゴリズムを直接適用できます74、75、76、77。

電気化学グリッパーの基本的な制限は何ですか? 第一に、このようなグリッパーは、定電位制御を保証し、毛細管力を抑制するために、液体媒体、主に電解質中でのみ機能します。 ただし、生物医学用途やナノ加工のほとんどの場合、特に柔らかい材料やナノ粒子の場合、液相は制限ではなく要件です。 生体サンプルの制限要因の 1 つは、表面の汚れです。 これを防ぐために、特にイオン強度の高い溶液では、両親媒性チオール SAM のような防汚剤をグリッパーに組み込むことができます 78、79、80。 さらに、グリッパー電極は、平らな電極に対して実行できるのと同様に、サイクリック ボルタムトリーによって洗浄することもできます 81。 電解質溶液のイオン強度が高いと、拡散層の重なりが減少するため、力が小さくなります41、63、64。 ただし、粘度の増加は問題にはなりません36。 したがって、グリッパー電極の電気化学的制御が確実にできるのであれば、イオン液体中での操作も可能である。 第二に、処理できるオブジェクトには特定のサイズ範囲しかありません。小さすぎると、ファンデルワールス力が支配的になります。 大きすぎると、表面力は重力の影響を補償できなくなります。 本質的に、拡散層の重なりにより全体的な相互作用を調整できるようにする必要があり、これは疎水性により広範囲の接着力に対応することが可能です。 硬質コロイド粒子の場合、サイズ範囲はおよそ 50 ～ 100 nm で始まり、5 ～ 8 μm までになります。これは、それぞれ表面電荷、粗さ、密度によって異なります。 ただし、より大きな粒子の場合は、従来の機械式グリッパーの方が操作に便利な方法である可能性が最も高くなります。 したがって、ここで紹介する電気化学グリッパーのアプローチにより、二次元操作のためにマイクロスケールとナノスケールのオブジェクト間のギャップを埋めることができます。 100 nm より小さい物体も処理できる可能性がありますが、低いファンデルワールス力が必要であり、そのためには小さなハマカー定数が必要です。 幸いなことに、これらの要件を満たす材料は、この長さスケールのロボット工学にとって最も興味深いものとなるでしょう。それは、タンパク質や脂質などの高分子です。 どちらの場合も、外部から印加される電位に応じて、電極への接着を調整し、吸着と脱着を制御できることが報告されています82,83。 ただし、オブジェクトのサイズが小さくなるにつれて、先端の形状と寸法がより重要になり、特に調整する必要があります84,85。 特に、AFM チップはイメージングだけでなく操作にも必要になる場合があります。 要約すると、ここで紹介するグリッパーでは、0.7 ～ 8 μm のサイズ範囲のコロイド粒子に容易にアクセスできます。 おそらく、接着ヒステリシスが大きすぎない限り、ヒドロゲル粒子 86 などの非常に柔らかい物体も取り扱うことができます。

この点において、充電状態と相互作用力を「切り替える」可能性は、意図せずに物体を乱したり操作したりすることなく、イメージング用にチップを調整するのに非常に役立つ可能性があります。 さらに、電極の表面改質とその粗さにより、以前に報告されているように、溶媒排除の寄与と接触中の拡散層の重なりの範囲を調整することにより、相互作用力の追加の調整が可能になります。 以前に報告されたヒドロゲルコーティングの電気化学的スイッチングに基づいたロボットグリッパー27とは異なり、ここで開発された電気化学グリッパーは、中間の電気化学的活性層27を使用しない相互作用力の直接操作に基づいています。 この追加層は大きな接着力という利点を提供するため、巨視的な表面に非常に適していますが、膜の形態と厚さにより、より小さな長さスケールでは制限されます。 小さな長さスケールでは、拡散層による表面力で十分に操作できます。 電気化学グリッパーによる位置決めの横方向の分解能は、原理的にはアクチュエーターによってのみ制限されます。 ここでは、グリッパーは AFM カンチレバー上に実装されているため、位置決め分解能はサブナノメートル領域です。 したがって、主な制限は、AFM カンチレバーの寸法と、操作プロセスの制御に使用される光学顕微鏡の解像度によって決まります。 ただし、ここで紹介するグリッパーは、ソフトロボティクスにより適した代替の作動システムと組み合わせて使用​​することもできます14、15。

コロイドプローブおよび電気化学グリッパーの調製に使用されるチップレス金コーティングAFMカンチレバーは市販されています（CSC-37、両面Cr-Auコーティング、μmasch、タリン、エストニア）。 電気化学グリッパーの絶縁には、陰極絶縁塗料 (Clearclad HSR、Clearclad Coatings Inc.) を使用しました。 公称平均直径 6.8 μm のシリカ粒子 (Bangs Laboratories Inc.) を使用して、力の直接測定および操作用のコロイドプローブを調製しました。 UV硬化型接着剤(NOA63)はNorland製品より購入しました。 赤色の絶縁レジストは GC Waldom から購入しました。 すべての水溶液は、Milli-Q グレード (抵抗率 > 18 mΩ cm-1、Merck Millipore、ダルムシュタット、ドイツ) の脱イオン水で調製されています。 溶液のイオン強度およびｐＨを、１Ｍ ＨＣｌ（Ｔｉｔｒｉｓｏｌ、Ｍｅｒｃｋ、ダルムシュタット、ドイツ）を使用してｐＨ４およびイオン強度０．１ｍＭに調整した。 すべての溶液は実験前に少なくとも 60 分間脱気し、孔径 0.22 μm のシリンジフィルター (Rotilabo、Carl Roth、カールスルーエ、ドイツ) を使用して濾過しました。 メトキシ(ジメチル)オクチルシラン、フェロシアニド、フェリシアン化物、11-メルカプト-1-ウンデカノール、クロロホルム、硝酸カリウムはSigma Aldrichから購入しました。 Hellmanex III は Hellma (ドイツ、ミュールハイム) から購入しました。 ポリイミドで絶縁された直径０．１２５ｍｍの銀線は、Ａｄｖｅｎｔ（Ａｄｖｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍａｔｅｒｉａｌｓ、オックスフォード、英国）から購入した。 ＨＰＬＣグレードのエタノールは、Ｃａｒｌ Ｒｏｔｈ（Ｃａｒｌ Ｒｏｔｈ、カールスルーエ、ドイツ）から購入した。

金でコーティングされたAFMカンチレバーをエタノールとクロロホルムに浸漬して洗浄し、続いて空気プラズマ処理(Zepto、Diener electric、エブハウゼン、ドイツ)を30分間行いました。 集束イオンビーム (FIB) 処理で金が完全に除去されるのを防ぐために、テクトラ ミニコーター (テクトラ、フランクフルト、ドイツ) を使用して、少なくとも 100 nm の厚さの追加の金層 (99.99%) をカンチレバー上に蒸着しました。 カンチレバーに接触させるために、ポリイミドで絶縁された銀線を銀ペイント (G302、PLANO、ドイツ) によってカンチレバー チップに接続し、固定し、UV 硬化接着剤を使用して絶縁しました。 Clearclad-HSRと水の1:5溶液(v/v)中で-3Vを120秒間印加することにより、カンチレバー上に陰極絶縁塗料を電着させた。 電着は各カンチレバーに対して 3 回実行され、各サイクルの間にすすぎステップ (水とエタノール) が行われました。 絶縁されたカンチレバーは 180 °C で 1 時間アニールされました。 ワイヤの接点は絶縁レジストを使用してさらに絶縁されました。 FIB ミリングには、FEI SCIOS-FIB をミリング深さ 50 nm で使用しました。 示されているすべての SEM 画像も同じ SEM で取得されたものです。

その後、FIB 加工したカンチレバーをエタノールと水に浸漬し、UV 洗浄 (Model 18、Jelight Inc.) で 10 分間洗浄し、その後エタノールに浸漬して洗浄しました。 次に、FIB 加工したカンチレバーを 5 mM 11-メルカプト-1-ウンデカノールのエタノール溶液に 1 時間浸漬し、その後エタノールですすいだ。

ばね定数は、熱雑音スペクトルを当てはめることによって決定されました (Hutter-Bechhoefer 法)87。

サイクロボルタンメトリー測定は、ポテンショスタット (CH 750i、CH-Instruments)49 を使用して、5 mM フェロシアン化物、5 mM フェリシアン化物、および 100 mM KNO3 の水溶液中で実施されました。 使用したスキャン速度は 0.01 V/s でした。

まず、2% Hellmanex 水溶液を使用して超音波浴中で 40 °C で 40 分間スライドガラスを洗浄し、続いて 10 分間空気プラズマ処理しました。 シラン修飾は、メトキシ（ジメチル）オクチルシランを用いた化学蒸着によって行われました。 スライドガラスを30μLのメトキシ(ジメチル)オクチルシランとともにデシケーターに入れた。 デシケーターを蒸発させ、90 °C のオーブンにそれぞれ 20 分間、35 分間、または 60 分間置きました。 すべての基材の静的水接触角は、シッティングドロップ法 (OCA-2O、Dataphysics、フィルダーシュタット、ドイツ) によって測定されました。

シリカビーズを、マイクロマニピュレーター（DC-3 KS、Märzhäuser、Wetzlar、ドイツ）を用いて、UV硬化性接着剤（NOA 63、Norland Adhesives）を使用してチップレスAFMカンチレバーに接着しました。 マイクロマニピュレーターは、固定ステージ顕微鏡 (Examiner、Zeiss、オーバーコッヘン、ドイツ) に取り付けられました。 カンチレバーは、エタノールと MQ 水ですすぐことによって事前に洗浄され、続いて 10 分間プラズマ洗浄されました。 最初に接着するために、コロイド粒子の直径よりわずかに小さい直径を持つ接着剤の小滴をカンチバー上に置きます。 次に、新たにエッチングされたタングステン ワイヤを使用して、接着剤滴の中にコロイド粒子が配置されます。 硬化は光学顕微鏡に付属の水銀灯を用いて行った。 この手順は以前に報告されたものと同様でした41。 すべての力の測定は、倒立光学顕微鏡 (Observer、Zeiss、オーバーコッヘン、ドイツ) に取り付けられた専用の原子間力顕微鏡 (MFP 3D、Asylum Research、英国アビンドン) を使用して実行されました。 シリカビーズの有効電位と調節パラメータ p を決定するために、ガラス基板に接着されたシリカビーズに対してシリカコロイドプローブを使用して 30 の連続したフォースカーブを測定しました。 力曲線は、電荷制御を考慮した自家製アルゴリズムを使用してフィッティングされました53。 基板接着力の測定では、シランで覆われたガラス スライドと裸のガラス スライドのそれぞれに対してコロイド プローブを使用して 30 の力曲線が測定されました。 接着力は、収縮時の力曲線の絶対最小値を決定する IGOR PRO (Wavemetrics) で作成されたカスタム手順に基づいて力曲線から決定されました。

定電位制御された直接力の測定では、NOA 63 と光学顕微鏡 (ドイツ、ツァイス、オーバーコッヘンの Examiner) に取り付けられたマイクロマニピュレーターを使用して、シリカ粒子を Hellmanex で洗浄したガラス スライド上に接着しました。 コロイドプローブの準備では、まず、エッチングされたタングステンワイヤーで UV 硬化 NOA 63 接着剤の小滴を拾い、基板上に置きました。 きれいなスライドガラス上で水溶液から乾燥させたシリカ粒子を、きれいなマイクロマニピュレーター針を使用して液滴上に置きました。 配置したビーズを UV 光で 1 分間硬化させました。 力の測定では、水溶液 (イオン強度 0.1 mM、pH 4) で 30 の力曲線を実行しました。 作用電極は電気化学グリッパー電極であり、Pt ワイヤが対極として使用され、塩素化 Ag/AgCl ワイヤが疑似参照電極として使用されました。 電気化学セルは、CV 測定にも使用されるのと同じポテンシオスタットによって制御されています。 擬似参照の半電池電位は、イオン強度 0.1 mM、pH 4 の水溶液中でカロメル電極 (RE2、BASi Inc.) に対して制御されました。力たわみ曲線は平均化され、自家製の手順を使用して評価されました。 アプローチカーブとリトラクションカーブは個別にベースライン補正されています。

シリカ粒子は、イオン強度 0.1 mM、pH 4 の水溶液中でプラズマクリーンなスライドガラス上に沈降しました。電気化学セルとポテンショスタットは、電位依存力の測定で説明したものと同じでした。 光学顕微鏡を使用して位置合わせした後、カンチレバーに φ = + 726 mV vs. SCE の電位を印加し、z ピエゾを使用してカンチレバーをビーズに近づけました。 引き抜いた後、粒子はカンチレバーに付着しました。 XY移動はマイクロメーターネジを使用して行われました。 粒子の配置では、SCE に対して ϕ = − 474 mV の電位をカンチレバーに印加し、z ピエゾ運動を使用してカンチレバーを基板に近づけました。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、カンチレバーの絶縁に使用されたエレクトロペイントを提供してくれた LHV Coatings Ltd に非常に感謝しています。 著者らは、FIBによるプローブの準備についてはPatrick Knödler氏、巨視的ロボットのサポートについてはPhilipp Dennstedt氏に感謝している。 アンドレアス・マークは力の直接測定を手伝ってくれました。 出版には、Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG、ドイツ研究財団) – 491183248 およびバイロイト大学のオープンアクセス出版基金から資金提供されました。

Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセス資金調達。

物理化学 II、バイロイト大学、Universitätsstraße 30、95440、バイロイト、ドイツ

A. カルグ、V. クズネツォフ、N. ヘルフリヒト、G. パパスタヴロウ

実験物理学 III、バイロイト大学、Universitätsstraße 30、95440、バイロイト、ドイツ

M. リピッツ

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示されているすべての測定と準備は AK によって実行されています。エレクトログリッパーの元のコンセプトは、逆幾何学ではあるものの、VK によって実験的に研究されました。 原稿はすべての著者によって執筆され、承認されています。 データの視覚化は AK、NH、GP によって提供されています 監督は ML、NH、GP によって提供されています

G. Papastavrou への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ1.

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転載と許可

Karg、A.、Kuznetsov、V.、Helfricht、N. 他。 マイクロロボットおよびナノロボット工学の用途向けの表面力の調整に基づいた電気化学グリッパー。 Sci Rep 13、7885 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33654-6

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受信日: 2022 年 11 月 25 日

受理日: 2023 年 4 月 17 日

公開日: 2023 年 5 月 16 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33654-6

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