近日，我校光電學院莊松林院士帶領(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），實現(xiàn)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(yīng)用。相關(guān)成果“通過光熱沖擊在干固體接觸條件下產(chǎn)生強大推力的自主納米機器人”（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。團隊成員博士生顧兆麒、朱潤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)大學劉旭教授及美國奧本大學劉嘉教授，莊松林院士全程指導該研究。研究工作得到了國家及上海自然科學基金的資助。該技術(shù)有望在納米制造、生物醫(yī)學、航空航天及軍事等各個領(lǐng)域發(fā)掘出前所未有的應(yīng)用場景。

光熱沖鑷系統(tǒng)可以無縫繼承宏觀世界中的機器人技術(shù)，在微觀世界中實現(xiàn)智能機器人工作的場景。團隊使用一個金屬納米片，結(jié)合圖像識別、深度學習、路徑規(guī)劃、及反饋控制等技術(shù)，實現(xiàn)了世界上第一個具有清潔功能的自主納米機器人。通過識別所選取區(qū)域的清潔程度，機器人將重復清掃循環(huán)，直至達到滿意的清潔度。

論文共同第一作者博士生朱潤琳、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動的強大工具，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年諾貝爾物理學獎，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)化為機械膨脹，在物體內(nèi)部產(chǎn)生極大的瞬時載荷，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，因此可以打破微納阻力困境，實現(xiàn)在固體界面上的移動。

沖量-動量定理原理圖，插圖展示了蛇類猛撲和一般爬行的視覺對比

捕獲(Trapping)特性是激光操控技術(shù)的核心，因為它可以通過光斑位置來掌握粒子的動向，實現(xiàn)任意的運動控制，而不僅僅止步于缺乏控制的致動(Actuation)。金納米線在532nm納秒脈沖的高斯型光斑作用下，會向光斑內(nèi)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(qū)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。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(cè)向彎曲，從而實現(xiàn)側(cè)向移動。這樣就實現(xiàn)了納米線在二維平面上的任意運動。如下圖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。

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結(jié)構(gòu)更復雜、功能更多樣的納米機器人，因形似中華鱟，被稱為HOUbot(圖4a及視頻)。該機器人能像汽車一樣自由移動 ，并做出頭部推動、獨立尾部搖擺和戳刺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。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(zhì)量)。通過采用現(xiàn)有的宏觀機械設(shè)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(tǒng)機械手段實現(xiàn)的可執(zhí)行具體任務(wù)的納米機器人。

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，補全了光操縱的應(yīng)用環(huán)境，使得激光最終實現(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)熱彈性動力學和摩擦學，特別是非破壞性研究，這進一步揭示微觀領(lǐng)域機械動力過程的理解。該技術(shù)原理上可以用于任何波長范圍和任何可吸收材料。此外，通過空間光調(diào)制和多機器人協(xié)作，可以實現(xiàn)自主納米機器人集群，完成目前常規(guī)手段不能實現(xiàn)的復雜任務(wù)。