随着柔性电子、生物医疗和微型机器人等领域的快速发展，如何在微观尺度上实现精准的扭矩输出和可控组装，已成为前沿研究的热点。近日，中国科学院苏州纳米所团队与合作者联合发表了一项创新性研究成果。他们发现了一种由界面流激活的毛细棘轮新机制，能够将简单的垂直运动高效转化为界面浮子的单向旋转，并成功应用于微纤维的分级扭转与组装。该成果为界面介导的微组装提供了全新的技术路径。

研究团队设计了一种具有螺旋通道的3D打印装置，当其在气－液界面快速上下运动时，通道内会产生方向依赖的界面流场。这种流场与毛细力协同作用，打破了时间反演对称性，使位于通道中心的浮子产生稳定的单向旋转。实验表明，当装置以低速运动时，浮子仅做可逆旋转；而当速度提升时，出现净单向旋转。数值模拟进一步揭示，这种棘轮效应源于装置上下运动时界面流场和毛细力的协同作用。该机制的通用性令人瞩目。研究团队测试了圆形、方形、三角形等多种形状的浮子与通道组合，除圆柱形通道外，几乎所有组合均能产生棘轮效应。研究还表明，通过调整通道的螺距和高度，可灵活控制旋转角度与输出扭矩。

利用这一机制，团队成功实现了微纤维的分级扭曲。他们先将四根纤维逆时针扭成一股，再将四股这样的纤维束顺时针合并，最终形成“4×4”的分级扭曲结构。扫描电子显微镜图像清晰证实了该结构。值得注意的是，这一棘轮具有自限性——随着扭曲进行，纤维逐渐绷紧，累积的扭矩会平衡机械应力，棘轮效应自动停止，从而有效防止过度扭曲对纤维造成损伤。

该团队估算，该机制输出的扭矩可达10⁻⁸N·m量级，介于宏观电机与生物鞭毛马达之间。这一扭矩范围使其在微观尺度操控中具有独特优势。编织线缆广泛应用于高带宽信号传输、高强度力学材料等领域。该技术有望应用于数据中心中的高频低损微纳利兹线的制备、高性能手术缝合线的开发以及人工肌肉的构建等领域。此外，该机制还可拓展至界面能量收集、微流控混合及微尺度流变测试等方向。

图1. 毛细棘轮装置设计与工作原理示意图

图2. 集成式分级扭曲装置及多级加捻纤维结构表征

该工作以 Capillary ratchets activated by interfacial flows for versatile torque generation and microassembly 为题发表在 Science Advances 上。中国科学院苏州纳米所联合培养的硕士生李喆为该论文的第一作者。苏州纳米所曾诚研究员、李加东研究员，大连大学马宗民教授，德国卡尔斯鲁厄理工学院邓永波教授为共同通讯作者。该研究获得了江苏省顶尖人才计划、中国科学院“率先行动”引才计划、苏州市苏州领军人才计划、德国科学基金会及欧洲研究委员会等项目的支持。

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