주기적으로 배열된 마이크로 기둥 어레이의 레플리카 몰딩은 마이크로 구조 표면을 비용 효율적으로 제조할 수 있어 재료계의 상당한 관심을 끌었다. 마이크로 기둥 어레이는 건식 접촉성, 이방성 액체 퍼짐, 그리고 소수성/옴니포빅 코팅 및 멤브레인을 포함하는 광범위한 응용 분야에 적용되어 왔다. 그러나 이러한 마이크로 구조 표면의 기하 형태들은 마이크로 기둥 어레이가 한 번 정적으로 만들어지고 나면 동적으로 전환될 수 없다. 게다가 레플리카 몰딩으로 만들어진 마이크로 기둥 어레이의 디자인은 종종 동일한 단면으로 이루어진 이차원 구조로 제한된다. 이 학위논문에서는 삼차원 마이크로 토포그래피로 구성된 동적 마이크로 구조 표면을 개발하기 위해, 형태 재구성 가능한 자성 마이크로 기둥 어레이가 비틀림, 굽힘 및 조립을 포함한 다중 모드 자기-기계 구동들을 수행하도록 프로그래밍 되었다. 수치 시뮬레이션 또한 서로 다른 세 구동 모드에서의 구동 각도와 자기장 임계 값을 포함하는 실험결과들을 뒷받침하기 위해 수행됐다. 고분자/자성 입자 복합재 마이크로 기둥들의 다중 모드 구동들은 세 가지 중요한 요소로 결정된다: (1) 자성 입자의 분포, (2) 마이크로 기둥들의 형상, 그리고 (3) 자성 입자의 농도. 먼저, 자성 입자의 분포가 마이크로 기둥의 너비 혹은 길이 방향으로 체인과 같이 선형 배열일 때, 그에 수직인 자기장은 자기 토크를 통해 마이크로 기둥의 비틀림 혹은 굽힘 구동을 초래했다. 마이크로 기둥 어레이의 동시화된 구동들을 위해, 입자를 약 10 vol%의 작은 농도로 채움으로써 기둥 간 자기 인력을 방지했다. 이러한 자성 구동들은 상대적으로 작은 극 관성 모멘트와 굽힘 강성을 갖는 이방성 마이크로 기둥 형상을 설계함으로써 향상됐다. 세 번째로, 입자를 약 70 vol%의 고 농도로 무작위로 채움으로써, 개별 마이크로 기둥들이 높은 자화도의 마이크로 자석처럼 작용해 균일하게 연결되는 자기 조립을 달성했다. 자기장을 제거한 후에도 구동을 유지하기 위해 구동된 마이크로 기둥들을 고분자 수용액으로 적시고 나서 물 증발을 통해 고정시켰다. 그런 다음, 수용성 고분자를 단순히 세척해 직립 형태로 되돌려 외부 자기장 하에서 마이크로 기둥들이 다시 구동하게 했다. 동적 마이크로 구조 표면의 응용을 실현 검증하기 위해, 소수성 마이크로 기둥 어레이가 액체를 구동 방향으로 퍼트리고 마이크로 기둥 어레이에 숨겨진 문자가 자기장 하에서만 보이도록 시연했다. 마지막으로, 바이오봇의 실현 검증을 위해, 살아있는 마이크로 크기 벌레의 운동 모드들이 형태 재구성 가능한 삼차원 마이크로 토포그래피에 의해 조절될 수 있다는 것을 시연했다. 예쁜꼬마선충이 밀리미터 이하의 신체 치수, 인간과의 유전자 유사성, 그리고 특히 기계 감지력을 가져 마이크로 바이오봇 모델로 채택되었다. 선충은 장벽이 없는 챔버에서 사인파 모양으로 무작위로 수영했다. 하지만, 선형 자기장 하에서, 선충 바이오봇은 형태 재구성 가능한 삼차원 마이크로 토포그래피들 내의 마이크로 기둥들의 감소된 간격과 높이를 감지하여 선형 이동, 탐색, 우회 및 등반을 포함한 다중 모드 운동을 수행했다. 흥미롭게도, 머리/꼬리 또는 몸체의 기계 감지 장애를 가진 돌연변이 종들은 각각 우회 또는 등반 운동을 수행할 수 없었다. 예쁜꼬마선충과 인간과의 유전자 유사성을 고려할 때, 돌연변이 종들의 운동 수행능력에 대한 연구는 약물의 유효성을 시험하고 신경세포와 특정 운동 간의 상관관계를 밝히는 기반이 될 수 있다. 생물 의학적 응용을 넘어서, 앞서 언급한 프로그래밍 가능하고 자기적으로 전환 가능한 삼차원 마이크로 토포그래피들은 마이크로 로봇 공학, 조율 가능한 광학 및 형태 재구성 가능한 전자 장치로의 새로운 응용에 대한 잠재력을 가진다.

The replica molding of periodically arranged micropillar arrays has attracted considerable attention in the materials community for cost-effective fabrication of microtextured surfaces. Micropillar arrays have been adopted in a wide range of emerging applications including dry adhesive, anisotropic liquid spreading, and hydro-/omniphobic coatings and membranes. However, the geometries of these microtextured surfaces cannot be dynamically switched once the micropillar arrays were fabricated to be stationary. In addition, the designs of replica-molded micropillar arrays are often limited to two-dimensional structures with identical cross-sections. In this thesis, to develop dynamic microtextured surfaces featured with three-dimensional (3D) microtopography, shape-reconfigurable magnetic micropillar arrays were programmed to perform multimodal magneto-mechanical actuations including twisting, bending, and assemblies. Numerical simulation was also performed to support the experimental results including actuation angles and magnetic field thresholds for the three different actuation modes. The multimodal actuations of polymer/magnetic particle composite micropillars were determined by three critical factors: (1) distribution of the particles, (2) geometry of micropillars, and (3) concentration of the particles. First, when the distribution of the particles was chain-like linear along width or length direction of the micropillar, orthogonal magnetic field resulted in twisting or bending actuations of micropillar via magnetic torque, respectively. For synchronized actuations of micropillar arrays, interpillar magnetic attraction was prevented by loading a small concentration of the particles (~10 vol%). These magnetic actuations were enhanced by designing anisotropic micropillar geometry with a relatively small polar moment of inertia and bending stiffness. Thirdly, by randomly loading the particles at a high concentration (~ 70 vol%), individual micropillars acted as micromagnets with high magnetization, achieving uniform connective magnetic assembly. To maintain the actuations even after removing the magnetic field, the actuated micropillars were wetted with an aqueous polymeric solution and then immobilized by water evaporation. Subsequently, the upright morphology was retrieved by simply washing out the water-soluble polymer, allowing micropillars to actuate again under the external magnetic field. For proof-of-concept of emerging applications with dynamic microtextured surfaces, I demonstrated that hydrophobic micropillar arrays spread liquid toward direction of the actuations and hidden letters in micropillar arrays became visible only under a linear magnetic field. Finally, for proof-of-concept of biobot, I demonstrated that locomotion modes of living micron-scale worm can be controlled by shape-reconfigurable 3D microtopography. Caenorhabditis elegans (C. elegans) worm was adopted as a model micro-biobot because of its submillimeter body dimensions, gene similarity to humans, and especially, mechanosensing capability. In a barrier-free chamber, worm swam randomly with a sinusoidal shape. However, under a linear external magnetic field, worm biobot perceived decreased spacings and height of micropillars in 3D microtopographies and performed multimodal locomotion modes including linear translation, navigating, circumventing, and climbing. Interestingly, mutant strains with head/tail or body mechanosensory disorder could not perform circumventing or climbing locomotion mode, respectively. Considering gene similarity of C. elegans to humans, the study on locomotion capabilities of mutant strains can pave the way for testing effectiveness of drugs and for revealing correlation of neurons with specific locomotion. Beyond biomedical applications, such programmable and magnetically switchable 3D microtopographies have potential for emerging applications of micro-robotics, tunable optics, and shape-reconfigurable electronics.