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Miniaturized metachronal magnetic artificial cilia

运动纤毛 雷诺数 纤毛 磁场 执行机构 下部结构 纳米技术 物理 计算机科学 机械 人工智能 材料科学 工程类 生物 湍流 细胞生物学 结构工程 量子力学
作者
Zhiwei Cui,Ye Wang,Shuaizhong Zhang,Tongsheng Wang,Jaap M.J. den Toonder
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (35) 被引量:5
标识
DOI:10.1073/pnas.2304519120
摘要

Biological cilia, hairlike organelles on cell surfaces, often exhibit collective wavelike motion known as metachrony, which helps generating fluid flow. Inspired by nature, researchers have developed artificial cilia as microfluidic actuators, exploring several methods to mimic the metachrony. However, reported methods are difficult to miniaturize because they require either control of individual cilia properties or the generation of a complex external magnetic field. We introduce a concept that generates metachronal motion of magnetic artificial cilia (MAC), even though the MAC are all identical, and the applied external magnetic field is uniform. This is achieved by integrating a paramagnetic substructure in the substrate underneath the MAC. Uniquely, we can create both symplectic and antiplectic metachrony by changing the relative positions of MAC and substructure. We demonstrate the flow generation of the two metachronal motions in both high and low Reynolds number conditions. Our research marks a significant milestone by breaking the size limitation barrier in metachronal artificial cilia. This achievement not only showcases the potential of nature-inspired engineering but also opens up a host of exciting opportunities for designing and optimizing microsystems with enhanced fluid manipulation capabilities.
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