多材料微加工突破催生会跳舞的微型机器人
发布时间：2023-08-16 00:00:00 阅读数： 15
中国科学院院士吴东教授领导的中国科学技术大学研究团队提出了一种飞秒激光二合一写入多材料加工策略，以制造由温敏水凝胶和金属纳米颗粒组成的微机械关节，并创造出具有多种变形模式（大于10种）的多关节仿人微型机械。研究结果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。
通过二合一激光打印设计和制造光触发多关节微型致动器（MJMA）。图片来源：Xin, C. 等 (2023)
近年来，利用飞秒激光双光子聚合技术制造出了多种功能性微结构，这是一种具有纳米级精度的真正三维制造方法。
微纳光学、微传感器和微机电系统只是这些微结构的几个应用领域，它们已经显示出了相当大的前景。难点在于利用飞秒激光进行多材料加工和开发多模式微纳力学。
本研究采用不对称双光子聚合法形成水凝胶接头，然后利用激光还原法在接头内部进行局部银纳米粒子沉积（Ag NPs）。为了实现方向和角度可控的弯曲变形，这种非对称光聚合方法在水凝胶微接头的某些区域内产生了交联密度的各向异性。
通过原位激光还原沉积，可以在水凝胶接头处精确合成银纳米粒子。得益于这些纳米粒子强大的光热转换活性，多关节微型机械可实现超快的反应时间（30 毫秒）和极低的驱动功率（10 毫瓦）。
在一个仿人微型机械中特别包含了八个微型关节。利用空间光调制技术在三维空间中创建了多焦点光束，以精确刺激每个微关节。通过多个关节之间的协同变形，仿人微型机械可以执行多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"。
最后但并非最不重要的是，作为概念验证，双关节微型机械臂可通过配置微关节的分布和变形方向，在平行和发散方向上聚集许多微颗粒。
双功能飞秒激光生产技术可在不同的三维微结构区域生成可变形的微关节，实现多种可逆变形模式。由于微机械具有多种变形模式，未来在微型物品收集、微流体操纵和细胞操作等领域的应用将大有可为。
参考资料
Xin, C., et al. (2023) Light-triggered multi-joint microactuator fabricated by two-in-one femtosecond laser writing. Nature Communications. doi:10.1038/s41467-023-40038-x
