飛秒激光技術(shù)催生 "會跳舞的微型機器人 多材料微細加工的突破性進展

利用二合一激光打印技術(shù)設(shè)計和制造光觸發(fā)多關(guān)節(jié)微執(zhí)行器（MJMA）。 a 人類手臂依靠關(guān)節(jié)彎曲實現(xiàn)手部抬起。 b 光觸發(fā)仿人 MJMA 的示意圖，顯示了多種模式。關(guān)節(jié)由具有不同交聯(lián)密度的兩部分組成，橙色和藍色分別代表低交聯(lián)密度和高交聯(lián)密度。ST1 = 1 毫秒和 ST2 = 3 毫秒是加工過程中的單點掃描時間。 d 激光還原 Ag NPs 進行光熱轉(zhuǎn)換，銀銨離子吸收光子后被還原成 Ag NPs。電子顯微鏡圖像分別顯示了水凝膠 MJMAs（藍色）和 Ag NPs（黃色）的相應(yīng)材料。 e 通過 Gerchberg-Saxton 算法調(diào)制兩個病灶和四個病灶，控制兩個關(guān)節(jié)和四個關(guān)節(jié)的變形，其中病灶的空間位置和強度可以靈活調(diào)整。當(dāng)近紅外光照射 Ag NPs 時，Ag NPs 與水凝膠之間會產(chǎn)生大量熱傳導(dǎo)。交聯(lián)密度低的水凝膠部分會比交聯(lián)密度高的水凝膠部分收縮得更厲害，從而導(dǎo)致水凝膠接頭發(fā)生定向彎曲。所有比例尺均為 20 微米。來源：《自然-通訊》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41467-023-40038-x

中國科學(xué)院中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳東教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊提出了飛秒激光二合一寫入多材料加工策略，制造出由溫敏水凝膠和金屬納米顆粒組成的微機械關(guān)節(jié)，并開發(fā)出具有多種變形模式（大于10種）的多關(guān)節(jié)仿人微型機械。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-通訊》上。

近年來，飛秒激光雙光子聚合技術(shù)作為一種具有納米級精度的真正三維制造技術(shù)，已被廣泛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)、微傳感器和微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。然而，如何利用飛秒激光進行多材料加工并進一步構(gòu)建多模態(tài)的微納力學(xué)仍是一個挑戰(zhàn)。

在本研究中，飛秒激光雙功能制造策略包括使用非對稱雙光子聚合來制造水凝膠接頭，并通過激光還原在接頭內(nèi)局部沉積銀納米粒子（Ag NPs）。這種非對稱光聚合技術(shù)可在水凝膠微關(guān)節(jié)的特定區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)交聯(lián)密度的各向異性，最終實現(xiàn)方向和角度可控的彎曲變形。

原位激光還原沉積可在水凝膠接合處精確制造銀納米粒子。這些納米粒子具有很強的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，使多關(guān)節(jié)微型機械具有超快響應(yīng)時間（30 毫秒）和極低驅(qū)動功率（

其中，八個微型關(guān)節(jié)被集成到一個仿人微型機械中。隨后，利用空間光調(diào)制技術(shù)，在三維空間實現(xiàn)了多焦點光束，以精確刺激每個微關(guān)節(jié)。

多個關(guān)節(jié)之間的協(xié)同變形使仿人微型機械能夠?qū)崿F(xiàn)各種可重構(gòu)的變形模式，最終形成微米尺度的 "跳舞微型機器人"。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)微型機械臂可以在平行和發(fā)散方向上收集多個微顆粒。

飛秒激光雙功能制造策略可在各種三維微結(jié)構(gòu)區(qū)域構(gòu)建可變形微關(guān)節(jié)，實現(xiàn)多種可重構(gòu)變形模式。未來，具有多種變形模式的微型機械將在微型物品收集、微流體操縱和細胞操作等領(lǐng)域開辟廣闊的應(yīng)用前景。

參考資料

Chen Xin et al, Light-triggered multi-joint microactuator fabricated by two-in-one femtosecond laser writing, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40038-x