无需供电的类肤柔性微泵，将人体运动转化为精准液体输运- 大数跨境

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无需供电的类肤柔性微泵，将人体运动转化为精准液体输运

Medtec医疗器械设计与制造

2026-07-17

来源：微流控

长期以来，精准液体输运一直是微流控医学、可穿戴医疗和智能治疗系统的核心技术之一。从药物持续释放、伤口渗液管理，到汗液采集、组织液监测，再到微针给药，各类应用都离不开稳定、可控且小型化的微泵。然而，目前主流微泵大多依赖压电、电磁或气动驱动，需要外接电源、控制电路或气压系统，不仅增加了系统体积和重量，也限制了其在皮肤贴附式可穿戴设备中的应用。如何利用人体自身运动实现真正意义上的无源驱动，一直是柔性微流控领域的重要挑战。

研究人员展示OSMiPump

据麦姆斯咨询介绍，近日，美国圣克拉拉大学生物工程团队开发出了一种全新的类肤柔性微泵OSMiPump，能够直接利用人体关节弯曲、行走、拉伸等自然动作产生的皮肤应变，将机械形变直接转换为连续、单向的液体输运，无需任何电池、电机、外部气源或能量采集模块，实现真正意义上的首款“人体驱动微流控”。

论文摘要附图

相关研究成果已经以“Skin-like micropumps transform human motion into fluidic flow via morphing valves”为题发表于近期的Microsystems & Nanoengineering期刊。

集成OSMiValve的应变驱动OSMiPump工作原理

与传统的柔性微泵最大的不同在于，OSMiPump没有采用复杂的多层阀门或外部控制系统，而是通过一种名为OSMiValve的新型结构，在单一PDMS柔性材料内部同时完成液体驱动与流向控制。

研究人员将不同稳定性的弧形微通道集成在同一器件中：中央“心脏”区域负责在拉伸过程中压缩液体，而局部设计的双稳态OSMiValve则在释放应变时发生快速“翻转和恢复”，从而自动阻止液体倒流，形成稳定的单向输运。整个过程无需任何机械阀门或外部控制信号，仅依赖结构几何设计即可完成流体整流，大幅简化了制造工艺，同时提高了器件柔性和可靠性。

在重复应变循环下集成OSMiValve的泵浦性能表征

为了验证设计原理，研究团队首先建立了流固耦合有限元模型，对微通道变形、压力变化及液体流动进行了系统模拟。仿真结果表明，微通道厚度、曲率以及阀门几何参数决定了弹性失稳行为和压力输出能力，而合理设计后，可产生超过10 kPa的瞬时压力，足以驱动微流控液体输运。随后，研究人员利用单步软光刻工艺制备出OSMiPump样品，并开展大量实验验证。

实验结果显示，当施加20%的拉伸应变时，OSMiPump在低流阻条件下可实现约0.16 μL/s的平均流量，在高流阻条件下仍可维持约0.02 μL/s的稳定输运；峰值输出压力约为11 kPa，平均压力约0.6 kPa，连续工作100个循环后仍保持稳定性能。

同时，液体输运量与循环次数几乎呈线性关系，说明该系统具有优异的重复性和可靠性。研究人员还发现，多阀结构相比单阀设计具有更高的密封性能和输运效率，而不同应变幅值、等待时间及驱动速度均可调节泵送性能，实现可编程控制。

液体特性与应变取向对OSMiPump性能的影响

值得关注的是，该系统不仅能够适用于不同流阻环境，还能够处理不同黏度液体。研究团队分别测试了去离子水、50%甘油混合液以及高黏度纯甘油等介质，结果发现，中等黏度液体反而获得最佳输运效率。这是因为适度黏性可以延缓阀门恢复过程，增强正反向流动之间的不对称性，从而提高净输运效率；而对于高黏度液体，只需适当延长恢复时间，系统同样能够恢复稳定工作。这意味着OSMiPump不仅适用于药液输送，也具备处理伤口渗液、组织液等复杂生物流体的潜力。

研究人员还进一步分析了器件对应变方向的敏感性。当微泵方向与拉伸方向保持一致时，可获得最佳输运效果；随着夹角增大，泵送能力逐渐下降，在45°以上几乎停止工作。这种高方向选择性不仅说明OSMiPump能够精准响应人体运动，还为未来可编程微流控网络设计提供了新的思路，即通过改变通道布局即可实现局部激活或关闭不同泵送区域，而无需增加任何电子控制系统。

应用OSMiPump驱动的人体液体输送与排出

为了验证其实用价值，研究团队将OSMiPump分别集成到硅胶袜和透明医用Tegaderm贴膜中，开展人体佩戴实验。在药物递送模式下，微泵安装于脚背区域，通过踝关节屈伸即可持续推动液体流向目标部位；而在伤口护理模式下，仅需调换进出口方向，同一器件便可持续抽取模拟伤口渗液，实现主动引流。

OSMiPump工作演示视频

进一步的人体步行实验表明，自然行走产生的5%~15%皮肤拉伸已经足以驱动OSMiPump稳定工作，连续行走过程中液体输运保持高度重复。研究团队还展示了安装于膝关节贴膜上的应用，在100次屈膝运动后依然维持稳定输运性能，充分证明了其在不同身体部位均具有良好的适应能力。

综上，该研究成果可广泛应用于慢性伤口护理、糖尿病足治疗、微针持续给药、汗液和组织液采集、康复监测以及下一代柔性生物传感器等领域。随着结构设计进一步优化，以及与智能生物传感器、无线监测平台相结合，OSMiPump有望成为未来无源可穿戴医疗系统的重要基础单元，为精准医疗和连续健康管理提供更加轻量化、智能化的微流控解决方案。

*本文经微流控授权转载，不代表Medtec立场。原文标题《无需供电的类肤柔性微泵，将人体运动转化为精准液体输运》，转载请联系出处。