安徽大学首篇Nature：造出“光纤微镊”，以光驭力，能够抓取单个细胞、深入胆管进行活检取样

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

微纳尺度精准操控，是光电信息技术、先进制造、生物医学等领域的重要前沿方向。2018 年，光镊因其在生物系统中的应用获得诺贝尔物理学奖，充分体现了光操控技术在基础科学和交叉应用中的重要地位。然而，光镊的优势主要体现在非接触和高精度操控上，其作用力较弱，且无法操控不透明物体。传统的机械、气动或液压微镊虽然可提供较大的夹持力，但不适用于精密操控。

将微镊直接集成于光纤上，为精密微操控提供了新途径。然而，现有的光纤集成微镊在狭小空间内（例如微细血管、胆管）对微小物体（例如单个细胞）进行高性能操控时仍面临挑战，主要原因在于结构过于简化、设计受限以及整体尺寸较大。

2026 年 6 月 17 日，安徽大学/中国科学技术大学吴东教授，香港中文大学张立教授，中国科学技术大学胡衍雷教授、汪超炜教授及合肥工业大学张晨初副研究员作为共同通讯作者（安徽大学潘登博士为论文第一作者），在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Optical fibre gripper for high-performance 3D micromanipulation 的研究论文。

该研究提出了面向纤基集成器件的飞秒激光复合制造方法，在商用光纤端部构建了一种三维光纤微镊（3D OFG），实现了微米尺度目标的高精度、低损伤与可编程三维操控，展示了抓取单个细胞、组装微型齿轮，以及深入胆管进行活检取样等应用，为我们打开了一扇通往微观世界精密操控的大门。

值得一提的是，Nature同期发表了题为：Light-controlled microgripper punches above its weight 的评论文章，文章指出，这种可通过光信号实现开合的光纤微镊，性能卓越，能够深入狭小空间，并执行与临床应用相关的任务。

为什么我们需要这么小的“手”？

在微观世界里，“抓东西”一直是个大难题。

传统的光镊技术虽然能做到非接触操控，精度极高，但它能施加的力非常有限，通常在皮牛级别。这就像你能用一束光照亮灰尘，却难以推动它们。而且，光镊对操作对象的透明度和环境条件有严格要求。

另一类是毫米级的机械镊子，它们力气大，能夹起较大的物体，但体积也大，根本进不去毛细血管这样的狭窄空间，更别提精准地抓取单个细胞了。

那么，有没有一种工具，既能像光镊一样精细，又能像机械镊子一样有力，同时体积还足够小巧呢？

答案就是——把镊子直接做在光纤末端。

灵感来自人体：骨骼+肌肉的设计

这只“光纤镊子”的设计灵感，其实来源于我们自己的身体。人体的运动系统由两大模块协同工作：肌肉负责产生收缩力，骨骼负责传递和支撑力量。受此启发，研究团队设计了一种“仿生”结构——

• “骨骼”：由刚性光刻胶制成，形成三个微小的爪子（三爪结构），负责机械输出和抓取；

• “肌肉”：由掺杂了银纳米颗粒的温敏水凝胶制成，负责驱动力的产生；

• “能量通道”：光纤本身充当能量输送管道，将外部激光传输到末端的“肌肉”上。

整个装置直接通过飞秒激光双光子聚合（2PP）3D 打印技术，在商用多模光纤的端面上一次性制造完成，从而构建出了新型三维光纤微镊（3D Optical Fibre Gripper），最终成品尺寸仅为 38×38×61 μm‌³，完美匹配单细胞级别的操作需求。

仿生肌肉-骨骼结构设计的三维光纤微镊

如何工作？一束光就能控制开合

这只“光纤微镊”的开合机制非常巧妙——

• 激光关闭时：水凝胶处于吸水膨胀状态，三只爪子紧紧闭合，呈“待机”状态；

• 激光开启时：808 纳米波长的近红外激光通过光纤照射到末端，水凝胶中掺杂的银纳米颗粒迅速将光能转化为热能，导致水凝胶快速收缩，爪子随之张开；

• 再次关闭激光：水凝胶重新吸水膨胀，爪子闭合，完成一次“抓取—释放”循环。

整个过程就像一只微型“捕蝇草”，反应速度极快。实验数据显示，其响应迅速，激光照射后仅 1.15 毫秒，水凝胶就开始响应；75% 最大开合行程只需 76.7 毫秒；稳定工作频率最高可达 5 赫兹（每秒可完成 5 次开合）；耐久性强，连续运行超过 87000 次循环无明显性能衰减。

相比之下，此前报道的光纤集成微镊通常工作频率在 1 赫兹左右，响应速度慢得多。

力大无穷：力质比碾压所有同类

那么，这么小的东西，能有多大力气？答案是——远超想象。

这只光纤微镊的总质量仅有约 14.3 纳克（1 纳克=十亿分之一克），但它能产生的净轴向提升力高达 4.9 微牛。换算下来，它的力质比达到了惊人的 340 微牛/毫克。这一力质比相比之前报道的光纤集成微镊提升了 1-2 个数量级；相比传统光镊，更是提升了 3-5 个数量级。

为了直观展示它的负载能力，研究团队做了一个有趣的实验：让这只光纤微镊在完全闭合状态下，成功吊起了一根长 20 厘米、直径 20 微米的铜线——这团铜线的长度是镊子自身长度的 3000 多倍。

更重要的是，由于采用了刚柔结合的材料设计，这只光纤微镊的夹持力还可以通过调节激光功率实现连续调控，从 0-2.2 微牛内实现了“灰度控制”。这意味着它在抓取脆弱物体（例如活细胞）时，可以温柔得像用手指捏起一颗葡萄。

不仅能抓，还能“绣花”：三维微组装

有了这样一只灵巧的“手”，我们能用它来做什么呢？

首先，它不挑物体。无论是透明的二氧化硅微球，还是完全不透明的氧化铝球、碳化硅碎片、聚合物微环、五角星形微粒……它都能稳稳抓起。物体的反射率不会影响它的性能。

其次，它能实现三维空间的精确摆放。研究团队展示了将微球分别放置在基底上方 0 微米、20 微米和 40 微米的不同高度上，证明了其真正的三维操控能力。

令人印象深刻的是，研究团队利用这只光纤微镊，成功完成了复杂微型器件的三维组装——包括轴承、轴和齿轮箱等微型机械部件。他们还用它将微球拼出了“AHU”（安徽大学的英文缩写）。

这为未来的微型机器人制造、微机电系统装配开辟了全新的可能性。

温柔对待：单细胞操控的新标杆

在生物医学领域，如何在不损伤细胞的前提下实现对细胞的精准操控，一直是核心挑战。

研究团队以实验室常用的HeLa 细胞作为模型，进行了系统的单细胞操控实验。结果显示——操控后细胞存活率高达 98.7%-99.2%；被操控的细胞后续能够正常贴壁、铺展和分裂。除了 HeLa 细胞，研究团队还对成纤维细胞（3T3）、甲状腺细胞（Nthy-ori3-1）和结直肠癌细胞（Caco-2）等多种细胞类型进行了成功操控，均保持了高活性。

更厉害的是，研究团队还演示了两台光纤微镊的协同操作：一台用来固定细胞团，另一台用来抓住一个单独的细胞并将其从细胞团中分离出来。这种“双镊协作”模式，为研究细胞间相互作用、细胞迁移等基础生物学问题提供了前所未有的工具。

此外，光纤微镊还能在高速流动环境（流速高达约 7500 微米/秒）中稳定捕获单个细胞，甚至可以配合尖锐的微针实现细胞膜穿刺。

深入“禁区”：在狭窄空间内精准取样

如果说前面展示的都是“常规操作”，那么接下来这项应用则让人眼前一亮。

许多疾病的诊断和治疗需要在极其狭窄的解剖结构中进行，例如胆管、血管、支气管等。传统的活检钳直径通常约为 2.3 毫米，根本无法进入这些区域。而这只光纤微镊的整体尺寸仅 38×38×61 μm‌³，其光纤包层的直径也仅为 125 微米。

研究团队做了两个验证实验——

实验一：玻璃毛细管模型，在一根内径仅 0.3 毫米、长 13 毫米的玻璃毛细管内，光纤镊子顺利通过，并在远端成功抓取和释放了直径为 15 微米的二氧化硅微球。

实验二：离体兔胆管取样，在新取出的兔肝胆标本中，将光纤微镊通过一根外径 0.51 毫米的不锈钢导管送入胆管腔内，成功在目标区域进行了抓取采样。扫描电镜图像清晰地显示，样本被牢牢固定在镊子尖端。

这些结果意味着，未来有望将这种光纤微镊与内窥镜或介入导管结合，实现对体内微小病变的无创或微创精准取样，为早期诊断提供全新手段。

未来展望：从实验室走向临床

这项技术目前仍处于实验室阶段，距离临床应用还有一段路要走。但不可否认的是，其突破性是显著的——

• 首次将刚性骨架与柔性水凝胶肌肉集成在光纤端面，实现了刚柔并济的优异性能；

• 力质比创下新高，远超此前所有光纤集成微镊；

• 展示了从单细胞操控到三维微组装再到体内模拟取样的全链条能力；

• 与现有医疗成像导航系统兼容，具备向临床转化的潜力。

正如研究团队在论文中所说：这些结果将光纤微镊定位为一种紧凑型光纤尖端操控器，在光学场捕获和毫米级机械镊子之间提供了一个中间力区的可逆、可调谐抓取方案。

或许在不久的将来，手术机器人就能通过一根细细的光纤，在患者的血管或胆管内“穿针引线”，完成过去难以想象的精密手术。而这，正是科学不断突破边界带给我们的无限可能。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10673-7