北京
日前，安徽大學光電信息獲取與防護技術全國重點實驗室青年教師潘登博士，與中國科學技術大學吳東教授、胡衍雷教授團隊合作，在微納操控領域取得重要突破。
相關研究成果于日前以《面向高性能三維微操控的光纖微鑷》（Optical fibre gripper for high-performance 3D micromanipulation）為題發表在國際學術期刊《自然》上。
安徽大學助理研究員潘登為論文第一作者，中國科學技術大學吳東教授、胡衍雷教授、汪超煒教授以及合肥工業大學張晨初副研究員為共同通訊作者，安徽大學為論文的第一署名單位。這也是安徽大學首次在《自然》期刊上以第一單位發表論文。
微納尺度的精準操控是光電信息技術、先進制造、生物醫學等領域的重要前沿方向。2018 年，光鑷技術因其在生物系統中的應用獲得諾貝爾物理學獎，但其依靠聚焦光束形成的光學勢阱實現控制，雖然具備非接觸和高精度優勢，但作用力較弱，且無法操控不透明物體。傳統機械、氣動或液壓微夾持器雖能提供較大作用力，但器件體積和外部驅動系統復雜，難以在微細血管、膽管等微尺度受限空間內實現高精度操控。
圖：a. 光纖集成微鑷示意圖。b. 光纖集成微鑷電鏡圖。比例尺：20 μm。（圖片來源：安徽大學網站）
針對上述瓶頸，研究團隊提出了光纖端部多材料復合微系統設計策略。依托飛秒激光高精度微納加工技術，團隊將光傳輸、光熱轉換、軟材料響應和剛性微結構力學輸出集成于同一根商用光纖端部，構建了新型三維光纖微鑷（3D Optical Fibre Gripper，簡稱 OFG）。該器件通過飛秒激光雙光子聚合 3D 打印技術一次性制造完成，由剛性光刻膠微爪和摻雜銀納米顆粒的溫敏響應水凝膠“肌肉”構成，最終成品尺寸僅為 38×38×61 μm3。
研究發現，光照引起的材料形變會受到微結構約束，并轉化為微尺度下的可控運動和力學輸出，實現了光能量向微尺度機械作用力的有效轉換。光不僅作為能量傳遞載體，同時也是調控微鑷開合狀態和作用力大小的重要物理手段 —— 通過調節輸入光功率即可實現微尺度作用力的連續控制。實驗數據顯示，該三維光纖微鑷的輸出力是傳統光鑷的十萬倍以上。其力質量比達到約 340 μN/mg，較此前報道的光纖集成微鑷提升了一到兩個數量級。
該微鑷能夠實現微米尺度目標的精準操控和復雜微結構的精確裝配，可操控不透明顆粒、不規則微機械組件及多種單細胞類型。研究團隊還展示了其在三維微組裝領域的應用潛力，成功完成了軸承、傳動軸和齒輪箱等復雜微器件的組裝。同時，該微鑷如同細胞尺度的“微型靈巧手”，能夠在小于 300 微米的狹窄空間內完成微尺度取樣，為生命健康和微創醫療等方向提供了新的技術路徑。
來源：IT之家
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