北京
日前，安徽大学光电信息获取与防护技术全国重点实验室青年教师潘登博士，与中国科学技术大学吴东教授、胡衍雷教授团队合作，在微纳操控领域取得重要突破。
相关研究成果于日前以《面向高性能三维微操控的光纤微镊》（Optical fibre gripper for high-performance 3D micromanipulation）为题发表在国际学术期刊《自然》上。
安徽大学助理研究员潘登为论文第一作者，中国科学技术大学吴东教授、胡衍雷教授、汪超炜教授以及合肥工业大学张晨初副研究员为共同通讯作者，安徽大学为论文的第一署名单位。这也是安徽大学首次在《自然》期刊上以第一单位发表论文。
微纳尺度的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，光镊技术因其在生物系统中的应用获得诺贝尔物理学奖，但其依靠聚焦光束形成的光学势阱实现控制，虽然具备非接触和高精度优势，但作用力较弱，且无法操控不透明物体。传统机械、气动或液压微夹持器虽能提供较大作用力，但器件体积和外部驱动系统复杂，难以在微细血管、胆管等微尺度受限空间内实现高精度操控。
图：a. 光纤集成微镊示意图。b. 光纤集成微镊电镜图。比例尺：20 μm。（图片来源：安徽大学网站）
针对上述瓶颈，研究团队提出了光纤端部多材料复合微系统设计策略。依托飞秒激光高精度微纳加工技术，团队将光传输、光热转换、软材料响应和刚性微结构力学输出集成于同一根商用光纤端部，构建了新型三维光纤微镊（3D Optical Fibre Gripper，简称 OFG）。该器件通过飞秒激光双光子聚合 3D 打印技术一次性制造完成，由刚性光刻胶微爪和掺杂银纳米颗粒的温敏响应水凝胶“肌肉”构成，最终成品尺寸仅为 38×38×61 μm³。
研究发现，光照引起的材料形变会受到微结构约束，并转化为微尺度下的可控运动和力学输出，实现了光能量向微尺度机械作用力的有效转换。光不仅作为能量传递载体，同时也是调控微镊开合状态和作用力大小的重要物理手段 —— 通过调节输入光功率即可实现微尺度作用力的连续控制。实验数据显示，该三维光纤微镊的输出力是传统光镊的十万倍以上。其力质量比达到约 340 μN/mg，较此前报道的光纤集成微镊提升了一到两个数量级。
该微镊能够实现微米尺度目标的精准操控和复杂微结构的精确装配，可操控不透明颗粒、不规则微机械组件及多种单细胞类型。研究团队还展示了其在三维微组装领域的应用潜力，成功完成了轴承、传动轴和齿轮箱等复杂微器件的组装。同时，该微镊如同细胞尺度的“微型灵巧手”，能够在小于 300 微米的狭窄空间内完成微尺度取样，为生命健康和微创医疗等方向提供了新的技术路径。
来源：IT之家
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