基于图像引导的水凝胶非抓取形变原位微力测量方法研究

本文推荐一种创新的图像引导式微力传感技术，研究者利用聚丙烯酸钾（PAAcK）水凝胶的弹性形变特性，通过磁控微机器人（100-200μm）在非均匀磁场中诱导形变，结合赫兹接触模型（Hertz contact model）实现原位微力测量。该技术规避了复杂微加工工艺，为微流控设备（microfluidic devices）和软物质研究提供了安全、精准的生物相容性界面，灵敏度可达微牛（μN）量级。

　　

亮点

我们开发了一种基于聚丙烯酸钾（PAAcK）水凝胶形变的图像引导微力传感系统。这种非拴系方法通过磁控球形铁微机器人（直径100-200μm）在闭环磁场中诱导水凝胶形变，结合纳米压痕技术标定弹性模量，最终利用赫兹接触理论计算作用力。

方法

采用环保的超吸水性PAAcK水凝胶（无毒、可生物降解）作为传感介质。通过电磁线圈系统驱动微机器人，使其在特定工作区（分为接触前Zone 1和稳态形变Zone 2）对水凝胶产生可控压痕。

测量与分析

图4(a)显示不同干燥时间下的加载-卸载曲线存在滞后现象，而F-δ^3/2的线性关系（R²≥0.95）验证了赫兹模型的适用性（公式3-4）。弹性模量随水凝胶脱水程度增加而升高，实现2.5-15kPa的可调灵敏度范围。

结论

该传感器可直接测量磁微机器人在非均匀磁场中的净作用力，其软质界面特别适用于易损生物样本（如细胞）的力学特性研究。未来可通过优化水凝胶交联度进一步提升力分辨率。

未引用文献

[35]（原文未说明具体内容）

作者贡献声明

通讯作者Atul Thakur和Ajay D. Thakur共同指导了方法论设计；第一作者Khashti Datt Pandey完成实验验证与数据分析。

利益冲突

所有作者声明无竞争性利益

致谢

感谢印度教育部（MoE）和科学与工程研究委员会（SERB-ANRF）CRG/2022/007137项目的资助，以及IIT帕特纳机械工程系提供的纳米压痕系统支持。

冲突声明

作者确认无利益冲突需披露