中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米工程實驗室教授吳東團隊提出了一種飛秒激光二合一寫入多材料的加工策略，制造了由溫敏水凝膠和金屬納米顆粒組成的微機械關(guān)節(jié)，隨后開發(fā)出具有多種變形模式（>10）的多關(guān)節(jié)人形微機械。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《自然-通訊》。

受人類多關(guān)節(jié)變形啟發(fā)，利用飛秒激光二合一多材料加工策略構(gòu)建多關(guān)節(jié)人形微機械。中國科大供圖

近年來，飛秒激光雙光子聚合技術(shù)作為一種具有納米精度的真三維加工方式已被廣泛應(yīng)用于制造各種功能微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)在微納光學(xué)、微傳感器和微機器系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，如何利用飛秒激光實現(xiàn)復(fù)合多材料加工，并進一步構(gòu)建具有多模態(tài)的微納機械仍極具挑戰(zhàn)。   

飛秒激光二合一加工策略包括使用不對稱雙光子聚合構(gòu)建水凝膠關(guān)節(jié)以及在關(guān)節(jié)局部區(qū)域激光還原沉積銀納米顆粒。其中，非對稱光聚合技術(shù)使水凝膠微關(guān)節(jié)局部區(qū)域的交聯(lián)密度產(chǎn)生各向異性，最終使其可以實現(xiàn)方向和角度可控的彎曲變形。原位激光還原沉積可以在水凝膠關(guān)節(jié)上精確加工銀納米顆粒，這些銀納米顆粒具有很強的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，使多關(guān)節(jié)微機械的模態(tài)切換表現(xiàn)出超短響應(yīng)時間（30毫秒）和超低驅(qū)動功率（<10 毫瓦）的優(yōu)異特性。                            

作為一個典型的示例，八個微關(guān)節(jié)被集成在一個人形微機械上。隨后，利用空間光調(diào)制技術(shù)在3D空間內(nèi)實現(xiàn)多焦點光束，進而精確地刺激每一個微關(guān)節(jié)。多個關(guān)節(jié)之間的協(xié)同變形促使人形微機械手完成多個可重構(gòu)的變形模態(tài)。最終，在微米尺度下實現(xiàn)了“舞動的微機器人”。

最后，作為概念驗證，通過設(shè)計微關(guān)節(jié)的分布和變形方向，雙關(guān)節(jié)微型機械臂可以對同向和異向的多個微顆粒進行收集。總之，飛秒激光二合一加工策略可以在各種三維微結(jié)構(gòu)局部區(qū)域構(gòu)建可變形的微關(guān)節(jié)，實現(xiàn)多種可重構(gòu)的變形模態(tài)。

研究人員介紹，未來，具有多種變形模態(tài)的微機械手將在微型貨物收集、微流體操作和細胞操縱方面展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。                           

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40038-x