近日，我校光電學(xué)院莊松林院士帶領(lǐng)下的谷付星教授課題組，發(fā)明了一種基于光熱沖擊效應(yīng)的激光捕獲技術(shù)，稱為光熱沖鑷（Photothermal-Shock Tweezers），實(shí)現(xiàn)了固體界面上對(duì)微納物體的捕獲及任意操控，并探索了其納米機(jī)器人應(yīng)用。相關(guān)成果“通過(guò)光熱沖擊在干固體接觸條件下產(chǎn)生強(qiáng)大推力的自主納米機(jī)器人”（Autonomous nanorobots with powerful thrust under dry solid-contact conditions by photothermal shock）于11月24日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。團(tuán)隊(duì)成員博士生顧兆麒、朱潤(rùn)琳和沈天賜為共同第一作者，谷付星教授為通訊作者，其他單位的合作者包括河北工業(yè)大學(xué)劉旭教授及美國(guó)奧本大學(xué)劉嘉教授，莊松林院士全程指導(dǎo)該研究。研究工作得到了國(guó)家及上海自然科學(xué)基金的資助。該技術(shù)有望在納米制造、生物醫(yī)學(xué)、航空航天及軍事等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)掘出前所未有的應(yīng)用場(chǎng)景。

光熱沖鑷系統(tǒng)可以無(wú)縫繼承宏觀世界中的機(jī)器人技術(shù)，在微觀世界中實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人工作的場(chǎng)景。團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)金屬納米片，結(jié)合圖像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)、路徑規(guī)劃、及反饋控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)具有清潔功能的自主納米機(jī)器人。通過(guò)識(shí)別所選取區(qū)域的清潔程度，機(jī)器人將重復(fù)清掃循環(huán)，直至達(dá)到滿意的清潔度。

論文共同第一作者博士生朱潤(rùn)琳、顧兆麒、沈天賜（從右至左）

據(jù)了解，激光捕獲(Trapping)是納米世界操控物體運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)大工具，因其在真空和液體等懸浮介質(zhì)環(huán)境中的廣泛應(yīng)用而榮獲1997年和2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但在固體接觸表面上仍然具有挑戰(zhàn)性。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(zhuǎn)化為機(jī)械膨脹，在物體內(nèi)部產(chǎn)生極大的瞬時(shí)載荷，稱為光熱沖擊（Photothermal Shock）。該瞬間沖擊效應(yīng)產(chǎn)生的作用力遠(yuǎn)超普通振動(dòng)模式，就像蛇類捕食瞬間猛撲速度遠(yuǎn)超一般爬行速度，因此可以打破微納阻力困境，實(shí)現(xiàn)在固體界面上的移動(dòng)。

沖量-動(dòng)量定理原理圖，插圖展示了蛇類猛撲和一般爬行的視覺對(duì)比

捕獲(Trapping)特性是激光操控技術(shù)的核心，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)光斑位置來(lái)掌握粒子的動(dòng)向，實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)控制，而不僅僅止步于缺乏控制的致動(dòng)(Actuation)。金納米線在532nm納秒脈沖的高斯型光斑作用下，會(huì)向光斑內(nèi)部移動(dòng)，直到納米線的中心與光斑中心一致，這是一個(gè)典型的捕獲過(guò)程。研究人員通過(guò)理論分析，找到了光熱沖擊驅(qū)動(dòng)力的物理來(lái)源，因表達(dá)式中包含溫度梯度，因此該力被稱為光熱梯度力。當(dāng)移動(dòng)光斑時(shí)，光熱梯度力分布平衡被打破，納米線重新向光斑中心移動(dòng)，一直重復(fù)該過(guò)程，納米線就會(huì)隨著光斑一直軸向移動(dòng)。另外對(duì)被捕獲在光斑中央的納米線，提高激光功率將會(huì)使納米線兩端受到更大光熱梯度力擠壓而側(cè)向彎曲，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)向移動(dòng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了納米線在二維平面上的任意運(yùn)動(dòng)。如下圖展示了研究團(tuán)隊(duì)將多根納米線拼成漢字“沖”和英文單詞“SHOCK”的圖案。

光熱沖鑷操控納米線

研究人員又利用金屬鈀納米片為底盤搭建了一個(gè)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、功能更多樣的納米機(jī)器人，因形似中華鱟，被稱為HOUbot(圖4a及視頻)。該機(jī)器人能像汽車一樣自由移動(dòng) ，并做出頭部推動(dòng)、獨(dú)立尾部搖擺和戳刺等更高自由度和精細(xì)的動(dòng)作。機(jī)器人身上搭載半導(dǎo)體納米線可用于原位濕度傳感。由于其相對(duì)較大的表面，該機(jī)器人具有很強(qiáng)負(fù)載能力，理論有效載荷可以達(dá)到毫克量級(jí)(相當(dāng)于一只螞蟻的質(zhì)量)。通過(guò)采用現(xiàn)有的宏觀機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)裝備更多的機(jī)載組件或貨物，HOUbot可以像宏觀機(jī)器人一樣工作，是世界首個(gè)利用傳統(tǒng)機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)的可執(zhí)行具體任務(wù)的納米機(jī)器人。

相關(guān)原理圖

光熱沖鑷技術(shù)的發(fā)明使得激光操縱突破了界面阻力困境，補(bǔ)全了光操縱的應(yīng)用環(huán)境，使得激光最終實(shí)現(xiàn)了可在堪比海陸空三界（真空/氣體，液體及固體）的微納環(huán)境中任意操控物體。在物理上，則聚焦了瞬態(tài)熱彈性動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)，特別是非破壞性研究，這進(jìn)一步揭示微觀領(lǐng)域機(jī)械動(dòng)力過(guò)程的理解。該技術(shù)原理上可以用于任何波長(zhǎng)范圍和任何可吸收材料。此外，通過(guò)空間光調(diào)制和多機(jī)器人協(xié)作，可以實(shí)現(xiàn)自主納米機(jī)器人集群，完成目前常規(guī)手段不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。