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研究团队 | 作者
酥鱼 | 编辑
光学捕获(Trapping)物体因其在真空和液体等悬浮介质环境中的广泛应用而荣获 1997 年和 2018 年诺贝尔物理学奖，但在固体接触表面上仍然具有挑战性。
近日，来自上海理工大学光电学院庄松林院士带领下的谷付星教授课题组，发明了一种基于光热冲击效应的激光捕获技术，称为光热冲镊Photothermal-Shock Tweezers，实现了固体界面上对微纳物体的捕获及任意操控，并探索了其纳米机器人应用。相关成果于2023年11月24日发表在Nature Communications上。
光热冲击
微纳物体在固体界面上的运动阻力通常在微牛(10−6 N)量级，而让微纳物体产生强大的力或者加速度以克服阻力而运动是一个巨大的挑战。事实上，从牛顿第二定律，或者冲量−动量定理可以知道，缩短作用时间可以产生更大的作用力，如撞击，爆炸，冲击等。研究人员使用脉冲光源加热微纳物体，被吸收的光脉冲能量瞬间转化为机械膨胀，在物体内部产生极大的瞬时载荷，称为光热冲击 （Photothermal Shock）。该瞬间冲击效应产生的作用力远超普通振动模式，就像蛇类捕食瞬间猛扑速度远超一般爬行速度(图1)，因此可以打破微纳阻力困境，实现在固体界面上的移动。
图1 冲量-动量定理原理图。冲击载荷产生作用力远超一般振动模式。插图展示了蛇类猛扑和一般爬行的视觉对比。
适用于固体界面的光热冲镊技术
捕获(Trapping)特性是激光操控技术的核心，因为它可以通过光斑位置来掌握粒子的动向，实现任意的运动控制，而不仅仅止步于缺乏控制的致动(Actuation)。如图2a和2b所示，金纳米线在532nm纳秒脉冲的高斯型光斑作用下，会向光斑内部移动，直到纳米线的中心与光斑中心一致，这是一个典型的捕获过程。研究人员通过理论分析，找到了光热冲击驱动力的物理来源，因表达式中包含温度梯度，因此该力被称为光热梯度力。当移动光斑时，光热梯度力分布平衡被打破，纳米线重新向光斑中心移动，一直重复该过程，纳米线就会随着光斑一直轴向移动（图2d）。另外对被捕获在光斑中央的纳米线，提高激光功率将会使纳米线两端受到更大光热梯度力挤压而侧向弯曲，从而实现侧向移动(图2e)。这样就实现了纳米线在二维平面上的任意运动。图2f和2g展示了研究团队将多根纳米线拼成汉字“冲”和英文单词“SHOCK”的图案。
图2 光热冲镊操控纳米线。(a)捕获金纳米线示意图。(b)捕获金纳米线连续时序照片。(c) 捕获原理图。(d和e)长距离操控纳米线轴向和侧向移动。(f和g)拼装的汉字“冲”和英文“SHOCK”。
在实际应用中马达（Motors）能对外输出力及运动是其关键特性。研究团队利用金纳米线作为输出马达，在脉冲光的操控下，能把另一根金纳米线推弯（图3a）。用原子力显微镜测量了该输出力约为5 μN。考虑有效吸收面积(~5%)、光热(30%)和热-机械能量转换效率(0.01%)，该纳米电机的瞬态输出功率为~5 μW。相应的推重比高达107，远远超过任何人工机器或自然生物。研究团队还利用纳米线马达控制更小的颗粒，如将两个量子点推到一起(图3b)，实现与原子力显微镜同等操作精度的人工分子组装。
传统机械式纳米机器人
机器人技术给世界带来革命性变化。光热冲镊系统可以无缝继承宏观世界中的机器人技术，在微观世界中实现智能机器人工作的场景。团队使用一个金属纳米片，结合图像识别、深度学习、路径规划、及反馈控制等技术，实现了世界上第一个的具有清洁功能的自主纳米机器人（图3c）。通过识别所选取区域的清洁程度，机器人将重复清扫循环，直至达到满意的清洁度。
研究人员又利用金属钯纳米片为底盘搭建了一个结构更复杂、功能更多样的纳米机器人，因形似中华鲎，被称为HOUbot。该机器人能像汽车一样自由移动 (图4b)，并做出头部推动(图4c)、独立尾部摇摆(图4d)和戳刺(图4e)等更高自由度和精细的动作。机器人身上搭载半导体纳米线可用于原位湿度传感(图4f)。由于其相对较大的表面，该机器人具有很强负载能力，理论有效载荷可以达到毫克量级(相当于一只蚂蚁的质量)。通过采用现有的宏观机械设计来装备更多的机载组件或货物，HOUbot可以像宏观机器人一样工作，是世界首个利用传统机械手段实现的可执行具体任务的纳米机器人。
图3 结构简单的纳米机器人。(a) 纳米线马达输出力。(b)单量子点操控。(c)纳米扫地机器人。
图4 复杂的纳米机器人HOUbot。(a) HOUbot的SEM图，插图为中国鲎。(b)自由运动控制。(c)头部推动。(d和e)独立尾部摆动和戳刺。(f)原位湿度传感。
总结与展望
激光捕获及操控技术是纳米世界控制物体运动的强大工具，而光热冲镊技术的发明使得激光操纵突破了界面阻力困境，补全了光操纵的应用环境，使得激光最终实现了可在堪比海陆空三界（真空/气体，液体及固体）的微纳环境中任意操控物体。在物理上，则聚焦了瞬态热弹性动力学和摩擦学，特别是非破坏性研究，这进一步揭示微观领域机械动力过程的理解。该技术原理上可以用于任何波长范围和任何可吸收材料，有望在纳米制造、生物医学、航空航天及军事等各个领域发掘出前所未有的应用场景。
产业化前景如何？
目前在非液体环境下操控微纳物体的常规方法是在显微物镜下，通过人工控制装载有微探针的3维机械位移台进行。精密的3维机械位移台有电驱动（如原子力探针），或者直接人工手工操控。但这些方式有很多局限性，如实时成像显示，微纳操作需要人员有丰富的经验积累等；探针只能对纳米线侧面施力，不能实现纳米线轴向操控等。
而谷付星教授发明的光热冲镊技术，可以使传统机器人技术无缝继承到微观领域，很好地和人工智能、机器视觉等技术融合，在硬件和软件上开发全功能的机械式纳米机器人，可以实现微纳物体轴向、横向、旋转等全方位的任意操控。此外，通过空间光调制和多机器人协作，可以实现自主纳米机器人集群，完成目前常规手段不能实现的复杂任务。
目前在实验室里面，谷付星教授团队已经实现了与常规压电位移台相当的反馈控制精密，步进分辨率在开环下约1 nm，闭环下约70 nm。目前研制的自动纳米机器人操控系统可根据输入目标实现基本的自动组装，后面将结合大数据及强化训练等实现完全自主组装。
对此，谷付星教授表示：“我们这些技术初步定位在科研仪器领域，为微纳器件提供智能的制造技术。未来的期待就是把科研人员双手解放出来，他们只需在手机、iPad等触摸屏上，用手拖动就可以显微镜下面实现远程、实时地操控纳米物体。研究人员只需提出组装目标，让我们的纳米机器人自动实现。”
该论文的合作者河北工业大学刘旭教授表示：“该技术在微纳尺度实现的机械操控，对于微观世界零部件的精密加工、组装具有深远意义。”
截至目前，该团队在该方向已经申请3项国内外发明专利技术，有多家科研机构正与团队洽谈订购意向，谷付星教授团队也欢迎有兴趣的单位投资合作。
论文视频展示：
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