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研究團隊 | 作者
酥魚 | 編輯
光學捕獲(Trapping)物體因其在真空和液體等懸浮介質環境中的廣泛應用而榮獲 1997 年和 2018 年諾貝爾物理學獎，但在固體接觸表面上仍然具有挑戰性。
近日，來自上海理工大學光電學院莊松林院士帶領下的谷付星教授課題組，發明了一種基于光熱沖擊效應的激光捕獲技術，稱為光熱沖鑷Photothermal-Shock Tweezers，實現了固體界面上對微納物體的捕獲及任意操控，并探索了其納米機器人應用。相關成果于2023年11月24日發表在Nature Communications上。
光熱沖擊
微納物體在固體界面上的運動阻力通常在微牛(10?6 N)量級，而讓微納物體產生強大的力或者加速度以克服阻力而運動是一個巨大的挑戰。事實上，從牛頓第二定律，或者沖量?動量定理可以知道，縮短作用時間可以產生更大的作用力，如撞擊，爆炸，沖擊等。研究人員使用脈沖光源加熱微納物體，被吸收的光脈沖能量瞬間轉化為機械膨脹，在物體內部產生極大的瞬時載荷，稱為光熱沖擊 （Photothermal Shock）。該瞬間沖擊效應產生的作用力遠超普通振動模式，就像蛇類捕食瞬間猛撲速度遠超一般爬行速度(圖1)，因此可以打破微納阻力困境，實現在固體界面上的移動。
圖1 沖量-動量定理原理圖。沖擊載荷產生作用力遠超一般振動模式。插圖展示了蛇類猛撲和一般爬行的視覺對比。
適用于固體界面的光熱沖鑷技術
捕獲(Trapping)特性是激光操控技術的核心，因為它可以通過光斑位置來掌握粒子的動向，實現任意的運動控制，而不僅僅止步于缺乏控制的致動(Actuation)。如圖2a和2b所示，金納米線在532nm納秒脈沖的高斯型光斑作用下，會向光斑內部移動，直到納米線的中心與光斑中心一致，這是一個典型的捕獲過程。研究人員通過理論分析，找到了光熱沖擊驅動力的物理來源，因表達式中包含溫度梯度，因此該力被稱為光熱梯度力。當移動光斑時，光熱梯度力分布平衡被打破，納米線重新向光斑中心移動，一直重復該過程，納米線就會隨著光斑一直軸向移動（圖2d）。另外對被捕獲在光斑中央的納米線，提高激光功率將會使納米線兩端受到更大光熱梯度力擠壓而側向彎曲，從而實現側向移動(圖2e)。這樣就實現了納米線在二維平面上的任意運動。圖2f和2g展示了研究團隊將多根納米線拼成漢字“沖”和英文單詞“SHOCK”的圖案。
圖2 光熱沖鑷操控納米線。(a)捕獲金納米線示意圖。(b)捕獲金納米線連續時序照片。(c) 捕獲原理圖。(d和e)長距離操控納米線軸向和側向移動。(f和g)拼裝的漢字“沖”和英文“SHOCK”。
在實際應用中馬達（Motors）能對外輸出力及運動是其關鍵特性。研究團隊利用金納米線作為輸出馬達，在脈沖光的操控下，能把另一根金納米線推彎（圖3a）。用原子力顯微鏡測量了該輸出力約為5 μN。考慮有效吸收面積(~5%)、光熱(30%)和熱-機械能量轉換效率(0.01%)，該納米電機的瞬態輸出功率為~5 μW。相應的推重比高達107，遠遠超過任何人工機器或自然生物。研究團隊還利用納米線馬達控制更小的顆粒，如將兩個量子點推到一起(圖3b)，實現與原子力顯微鏡同等操作精度的人工分子組裝。
傳統機械式納米機器人
機器人技術給世界帶來革命性變化。光熱沖鑷系統可以無縫繼承宏觀世界中的機器人技術，在微觀世界中實現智能機器人工作的場景。團隊使用一個金屬納米片，結合圖像識別、深度學習、路徑規劃、及反饋控制等技術，實現了世界上第一個的具有清潔功能的自主納米機器人（圖3c）。通過識別所選取區域的清潔程度，機器人將重復清掃循環，直至達到滿意的清潔度。
研究人員又利用金屬鈀納米片為底盤搭建了一個結構更復雜、功能更多樣的納米機器人，因形似中華鱟，被稱為HOUbot。該機器人能像汽車一樣自由移動 (圖4b)，并做出頭部推動(圖4c)、獨立尾部搖擺(圖4d)和戳刺(圖4e)等更高自由度和精細的動作。機器人身上搭載半導體納米線可用于原位濕度傳感(圖4f)。由于其相對較大的表面，該機器人具有很強負載能力，理論有效載荷可以達到毫克量級(相當于一只螞蟻的質量)。通過采用現有的宏觀機械設計來裝備更多的機載組件或貨物，HOUbot可以像宏觀機器人一樣工作，是世界首個利用傳統機械手段實現的可執行具體任務的納米機器人。
圖3 結構簡單的納米機器人。(a) 納米線馬達輸出力。(b)單量子點操控。(c)納米掃地機器人。
圖4 復雜的納米機器人HOUbot。(a) HOUbot的SEM圖，插圖為中國鱟。(b)自由運動控制。(c)頭部推動。(d和e)獨立尾部擺動和戳刺。(f)原位濕度傳感。
總結與展望
激光捕獲及操控技術是納米世界控制物體運動的強大工具，而光熱沖鑷技術的發明使得激光操縱突破了界面阻力困境，補全了光操縱的應用環境，使得激光最終實現了可在堪比海陸空三界（真空/氣體，液體及固體）的微納環境中任意操控物體。在物理上，則聚焦了瞬態熱彈性動力學和摩擦學，特別是非破壞性研究，這進一步揭示微觀領域機械動力過程的理解。該技術原理上可以用于任何波長范圍和任何可吸收材料，有望在納米制造、生物醫學、航空航天及軍事等各個領域發掘出前所未有的應用場景。
產業化前景如何？
目前在非液體環境下操控微納物體的常規方法是在顯微物鏡下，通過人工控制裝載有微探針的3維機械位移臺進行。精密的3維機械位移臺有電驅動（如原子力探針），或者直接人工手工操控。但這些方式有很多局限性，如實時成像顯示，微納操作需要人員有豐富的經驗積累等；探針只能對納米線側面施力，不能實現納米線軸向操控等。
而谷付星教授發明的光熱沖鑷技術，可以使傳統機器人技術無縫繼承到微觀領域，很好地和人工智能、機器視覺等技術融合，在硬件和軟件上開發全功能的機械式納米機器人，可以實現微納物體軸向、橫向、旋轉等全方位的任意操控。此外，通過空間光調制和多機器人協作，可以實現自主納米機器人集群，完成目前常規手段不能實現的復雜任務。
目前在實驗室里面，谷付星教授團隊已經實現了與常規壓電位移臺相當的反饋控制精密，步進分辨率在開環下約1 nm，閉環下約70 nm。目前研制的自動納米機器人操控系統可根據輸入目標實現基本的自動組裝，后面將結合大數據及強化訓練等實現完全自主組裝。
對此，谷付星教授表示：“我們這些技術初步定位在科研儀器領域，為微納器件提供智能的制造技術。未來的期待就是把科研人員雙手解放出來，他們只需在手機、iPad等觸摸屏上，用手拖動就可以顯微鏡下面實現遠程、實時地操控納米物體。研究人員只需提出組裝目標，讓我們的納米機器人自動實現。”
該論文的合作者河北工業大學劉旭教授表示：“該技術在微納尺度實現的機械操控，對于微觀世界零部件的精密加工、組裝具有深遠意義。”?
截至目前，該團隊在該方向已經申請3項國內外發明專利技術，有多家科研機構正與團隊洽談訂購意向，谷付星教授團隊也歡迎有興趣的單位投資合作。
論文視頻展示：
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