飞秒激光技术催生 "会跳舞的微型机器人 多材料微细加工的突破性进展

利用二合一激光打印技术设计和制造光触发多关节微执行器（MJMA）。 a 人类手臂依靠关节弯曲实现手部抬起。 b 光触发仿人 MJMA 的示意图，显示了多种模式。关节由具有不同交联密度的两部分组成，橙色和蓝色分别代表低交联密度和高交联密度。ST1 = 1 毫秒和 ST2 = 3 毫秒是加工过程中的单点扫描时间。 d 激光还原 Ag NPs 进行光热转换，银铵离子吸收光子后被还原成 Ag NPs。电子显微镜图像分别显示了水凝胶 MJMAs（蓝色）和 Ag NPs（黄色）的相应材料。 e 通过 Gerchberg-Saxton 算法调制两个病灶和四个病灶，控制两个关节和四个关节的变形，其中病灶的空间位置和强度可以灵活调整。当近红外光照射 Ag NPs 时，Ag NPs 与水凝胶之间会产生大量热传导。交联密度低的水凝胶部分会比交联密度高的水凝胶部分收缩得更厉害，从而导致水凝胶接头发生定向弯曲。所有比例尺均为 20 微米。来源：《自然-通讯》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41467-023-40038-x
 

中国科学院中国科学技术大学吴东教授领导的研究团队提出了飞秒激光二合一写入多材料加工策略，制造出由温敏水凝胶和金属纳米颗粒组成的微机械关节，并开发出具有多种变形模式（大于10种）的多关节仿人微型机械。相关成果发表在《自然-通讯》上。

近年来，飞秒激光双光子聚合技术作为一种具有纳米级精度的真正三维制造技术，已被广泛用于制造各种功能微结构。这些微结构在微纳光学、微传感器和微机电系统等领域显示出巨大的潜力。然而，如何利用飞秒激光进行多材料加工并进一步构建多模态的微纳力学仍是一个挑战。

在本研究中，飞秒激光双功能制造策略包括使用非对称双光子聚合来制造水凝胶接头，并通过激光还原在接头内局部沉积银纳米粒子（Ag NPs）。这种非对称光聚合技术可在水凝胶微关节的特定区域内诱导交联密度的各向异性，最终实现方向和角度可控的弯曲变形。

原位激光还原沉积可在水凝胶接合处精确制造银纳米粒子。这些纳米粒子具有很强的光热转换效应，使多关节微型机械具有超快响应时间（30 毫秒）和极低驱动功率（<10 毫瓦）的特点。

其中，八个微型关节被集成到一个仿人微型机械中。随后，利用空间光调制技术，在三维空间实现了多焦点光束，以精确刺激每个微关节。

多个关节之间的协同变形使仿人微型机械能够实现各种可重构的变形模式，最终形成微米尺度的 "跳舞微型机器人"。最后，作为概念验证，通过设计微关节的分布和变形方向，双关节微型机械臂可以在平行和发散方向上收集多个微颗粒。

飞秒激光双功能制造策略可在各种三维微结构区域构建可变形微关节，实现多种可重构变形模式。未来，具有多种变形模式的微型机械将在微型物品收集、微流体操纵和细胞操作等领域开辟广阔的应用前景。

参考资料

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