摘要
使液体界面变形的物体受到毛细管力的影响，可以利用毛细管力来组装物体1，2，3.，4．一旦组装，这些结构通常是静态的。在这里，我们动态调节这些力，以可编程的二维模式移动物体。我们3d打印包含通道的设备，利用排斥毛细管力捕获漂浮物5，6，然后在水浴中垂直移动这些设备。由于通道截面随高度的变化而变化，因此被困物体可以在二维上被操纵。因此，该装置和接口构成了一个简单的机器，将垂直运动转换为横向运动。我们设计的机器可以平移、旋转和分离多个漂浮物体，并通过循环垂直运动对水下物体进行工作。我们将这些基本机器结合起来，制造出厘米级的复合机器，将微米级的细丝编织成规定的拓扑结构，包括不重复的编织。毛细管机械不同于机械，光学或流体微机械手，因为一个半月板连接物体到机器。因此，通道形状只需要在毛细管长度(几毫米)的尺度上控制，即使物体是微观的。因此，这样的机器可以快速而廉价地制造出来。这种方法可用于操作微米级粒子或编织高频电子器件的微线。
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数据可用性
原始视频和实验数据可在Harvard Dataverse (https://doi.org/10.7910/DVN/9AHDUL)．
代码的可用性
从视频中跟踪浮动，处理表面轮廓测量数据，并处理恢复力测量数据的代码可以在https://github.com/Faaborg/float_tracker泽诺多(https://doi.org/10.5281/ZENODO.6916546)．浮动运动的数值计算代码可以在https://github.com/falkma/capillarymachines-numerics泽诺多(https://doi.org/10.5281/ZENODO.6816029)．用于3D打印本文所述机器的CAD文件可在https://github.com/manoharan-lab/capillary-stl泽诺多(https://doi.org/10.5281/ZENODO.6909015)．
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确认
我们感谢A. Duwel, D. J。卡特，k。J。罗素，R.戈登，A.艾丁，C. Chang, R. Garmann和Z. Rozynek的有益讨论和D. Clarke和J. Aizenberg的设备使用。这项工作得到了国防高级研究计划局(DARPA)与查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室的FA8650-15-C-7543合同的支持。该研究由美国国家科学基金会通过哈佛大学材料研究科学与工程中心提供部分支持，授予DMR-2011754。NSF通过ECCS-1541959拨款，海军研究办公室通过N00014-17-1-3029拨款，以及西蒙斯基金会提供了额外的支持。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
Y.B.-S。构思了毛细管镊子。C.Z.和M.W.F.设计了使用镊子控制多个浮体路径的毛细管机器。C.Z.设计并建造了电动舞台、控制器和水箱。C.Z, M.W.F.和A.S.设计，制造和测试了所有的毛细管机器，并在机器上做了所有的实验。C.Z, M.W.F, a.s.， M.J.F.和R.H.开发了基于磁滞的交换机制。M.W.F.和V.N.M.构想了开关任意编织机，C.Z、M.W.F.和A.S.设计并制造了这些机器。C.Z.做了扫描电镜成像。m.x测量了接触角、表面张力和半月板轮廓。K.H.测量了毛细管力。 M.J.F., R.H., Y.B.-S. and M.P.B. developed the theory and numerical approach and did all the simulations. M.J.F. developed the perturbative theory and did the design-space calculations. M.W.F. analysed the float trajectories. M.W.F., A.S. and V.N.M. wrote the main text and made the figures, based on initial drafts by C.Z., M.W.F. and V.N.M. and incorporating input from all authors. All authors wrote the补充信息．A.S.制作了这些视频。vn.m.监督了所有的实验工作和论文的准备工作。mpb监督所有的理论和数值工作。越共和mpb为这项工作获得了资金。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
C.Z, M.W.F, a.s.， Y.B.-S已经提交了一项关于操作和组装微观和纳米物体的毛细管机器设计的美国专利申请(申请序列号为17/ 639088)。M.P.B.和vn.m.
同行评审
同行评审信息
自然感谢Camille Duprat, Shigeki Saito和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图2任意编织字的机器。
一个，这张示意图显示了单个旋转器如何连接到四个反向激活开关，使一对浮子以两种方式交换。如左图所示，旋转器上方有两个开关，下方有两个开关。如果机器的运动在底部开关的操作区是反向的，浮子完成一个\({\σ}^ {1}\)交换，如中心图中的蓝色箭头所示。如果机器的运动在顶部开关的操作区被逆转，然后再次逆转，浮子完成一个σ\ (\ \)交换，如图中红色箭头所示。b，图中所示的由三个垂直交错的机器副本组成的四股编织机的示意图一个．黑色路径表示旋转器，灰色条表示机器可以反向交换不同的浮动对的高度。因此，机器的反转可以用来选择任何我\({\σ}_ {}\)或任何\({\σ}_{我}^ {1}\)．c，四股任意编织机的示意图，经过修改(“折叠”)以减小其水平范围，并被分为八个可以相互滑动的水平切片。修改后的设计相当于一台“扁平”四股任意编织机(右)。d，四股编织机作为独立部件(左)和组合成一台机器(右)的照片。
图3毛细管镊子的设计空间。
一个、毛细管镊子图，显示在壁面的接触角(θ)，浮动半径(Rf)、法向力(F)和信道半径(Ro)．b，无量纲化镊子刚度图(k/γ的函数Rf/Ro接触角为50°，且为负值F这与R \ ({} _ {{\ rm {f}}} ^ {2} \)．圆表示数值计算，实线表示微扰理论计算。微扰理论假设ℓ≫Ro，而所有数值计算都是用Ro=ℓ．c，无量纲化疏水阀刚度与浮子接触角的函数图Rf= 0.1Ro还有一个法向力F=−0.2γRo．在接触角非常小或非常大时，疏水阀刚度变为负值(虚线)，这意味着浮子不能稳定地跟随通道的中心。d，无量纲化疏水阀刚度与无量纲化法向力的函数图，接触角为50°，浮子为Rf= 0.1Ro．e，微扰理论的陷阱刚度作为浮动半径和接触角的函数的热图。白色区域对应镊子不稳定的地方。看到补充信息欲知详情。
扩展数据图4用毛细管机旋转微小颗粒筏。
一个，直径50 μm的二氧化硅颗粒在相互毛细管引力作用下组装成筏子的示意图。筏子将界面向下弯曲，使其被困在亲水通道的中心。b，从上方拍摄的椭圆形通道中制作的典型筏子的光学显微照片。c，用于旋转筏子的厘米级旋转器的示意图。d从上面拍摄的照片显示，木筏(红圈)随着机器高度的变化而旋转。另请参阅补充视频10．
扩展数据图5毛细管机操作微观粒子。
一个，水充满具有接触角的亲水通道时形成的半月板示意图θ．直径为20 μm、密度大于水的聚苯乙烯球使界面向下弯曲(插图)。b厘米尺度的机器图，带有一个倾斜的通道，用于平移微观粒子。c从上面拍摄的机器照片显示，随着机器高度的变化，直径为20 μm的粒子(红色圈)也在移动。另请参阅补充视频10．d，测量颗粒位移作为机器高度的函数，旁边是机器沿其中心的垂直横截面图(插图)。
补充信息
补充信息
该文件包含实验和数值方法的描述，以及正文中显示的结果的附加讨论。该文件还包含13个图表，用于阐明补充方法部分中讨论的方法。
补充视频1翻译浮子的机械阶段和毛细管机器。
我们通过将毛细管机放在水箱中的机动平台来移动它们。这段视频(加速了5倍)首先展示了舞台垂直移动翻译器的场景。然后视频显示了翻译器(浅灰色)和浮子(蓝色)的透视渲染(左)，实际机器和浮子的俯视图视频(右上，加速了5倍)，以及在浮子高度的机器横截面(橙色)上的浮子渲染(右下)。当转换器垂直移动时，浮点数水平移动。
补充视频2旋转器。
我们显示了与补充视频1相同的透视图和俯视图。视频速度提高了5倍。当旋转器相对于界面向上移动时，来自壁面的排斥毛细管力对一对浮子施加扭矩(红圈和蓝圈)。
补充视频3分隔符。
我们显示了与补充视频1相同的透视图和俯视图。视频的速度提高了两倍。当分离器相对于界面向上移动时，来自墙壁的斥力克服了一对漂浮物(红圈和蓝圈)之间的吸引力，并将它们分开。
补充视频4不对称结。
非对称结点中的浮动遵循两条不同的路径，这取决于机器的运动方向。当机器向上移动时，一个从较小通道开始的浮子(蓝色圆圈)沿着该通道移动并退出到结的中心;当机器向下移动时，浮子穿过更大的通道。我们显示了与补充视频1相同的透视图和俯视图。视频速度提高了5倍。
补充视频5一台编织机。
我们将平移器、旋转器、分离器和非对称连接组合在一台机器上，沿着必要的路径移动浮体，以形成由编织词定义的无扭曲的三股编织\ ({{{rm \{\σ}}}_ {1}{{\ rm{\σ}}}_ {2}^ {1})}^ {m} \)．我们显示了与补充视频1相同的透视图和俯视图。视频的速度提高了10倍。视频的第二部分显示了一个注释的三股编织机的视角渲染，因为它完成了一个\({\rm{\sigma}}_{1}{{\rm{\sigma}}_{2}^{-1}\)编织。
补充视频6棘轮。
我们利用接触角滞回创造了一种机器，它可以根据浮子的运动方向以不同的方式操作浮子。当棘轮向上移动时，矩形浮子(白色，红色和蓝色圆圈显示方向)倾向于与插槽对齐，导致浮子没有净旋转。当棘轮向下移动时，矩形浮子倾向于与矩形通道对齐，导致180°旋转。我们显示了与补充视频1相同的透视图和俯视图。视频的速度提高了两倍。
补充视频7一种基于迟滞的编织机。
利用棘轮代替旋转器和非对称结，可以制造一种基于接触角迟滞的编织机。当机器相对于接口向上移动时，它旋转浮子，完成编织词\({\rm{\sigma}}_{1}{{\rm{\sigma}}_{2}^{-1}\)．当机器向下移动时，浮子的位置或方向不会发生净变化。我们展示了在实验过程中从上面拍摄的机器视频，展示了一个完整的周期(视频加速了5倍)。
补充视频8反向激活开关。
在一个完整的周期中移动开关会导致浮动(蓝色圆圈)沿着循环路径移动，导致浮动的位置没有净变化。然而，如果我们在开关的操作区域内反转设备的运动，浮子就会退出这个循环路径并进入另一个通道。我们显示了与补充视频1相同的透视图和俯视图。视频速度提高了5倍。
补充视频9一种机器，创造任意编织词。
这段视频显示了一台机器的侧面渲染(左)，它可以创建任意的路径辫n= 4个浮动(红色、蓝色、黄色和绿色圆圈)，实际机器和浮动的侧视图视频(右上，加速了10倍)，以及在浮动高度的机器横截面(橙色)上的浮动渲染(右下)。我们将机器在不同的高度翻转，以完成七个可用的操作(身份操作我，三个人各有一个σn互换，三个中的每一个\ ({{\ rm{\σ}}}_ {n} ^ {1} \)互换)。
翻译和旋转微观粒子的机器。
这部电影展示了可以操纵微观粒子的机器。电影的第一部分展示了可以用来翻译单个20 μm聚苯乙烯球(红圈)的机器。电影的第二部分展示了一台机器，可以用来旋转许多50 μm的二氧化硅球体(用红色箭头表示)。视频的速度提高了两倍。
权利和权限
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关于本文
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曾，C.，法博格，m.w.，谢里夫，A.。et al。利用毛细管力操纵微观物体的3d打印机器。自然(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05234-7
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05234-7
