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近年來，飛秒激光雙光子聚合技術(shù)作為一種具有納米精度的真三維加工方式已被廣泛應(yīng)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(jī)器系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，如何利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)復(fù)合多材料加工，并進(jìn)一步構(gòu)建具有多模態(tài)的微納機(jī)械仍極具挑戰(zhàn)。

鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米工程實(shí)驗(yàn)室吳東教授團(tuán)隊(duì)提出了一種飛秒激光二合一寫入多材料的加工策略，制造了由溫敏水凝膠和金屬納米顆粒組成的微機(jī)械關(guān)節(jié)，隨后開發(fā)出具有多種變形模式（>10）的多關(guān)節(jié)人形微機(jī)械。該工作于7月17日以“Light-triggered multi-joint microactuator fabricated by two-in-one femtosecond laser writing”為題發(fā)表于Nature Communications。

圖1. 受人類多關(guān)節(jié)變形啟發(fā)，利用飛秒激光二合一多材料加工策略構(gòu)建多關(guān)節(jié)人形微機(jī)械。

飛秒激光二合一加工策略包括使用不對(duì)稱雙光子聚合構(gòu)建水凝膠關(guān)節(jié)以及在關(guān)節(jié)局部區(qū)域激光還原沉積銀納米顆粒（Ag NPs）（圖1）。其中，非對(duì)稱光聚合技術(shù)使水凝膠微關(guān)節(jié)局部區(qū)域的交聯(lián)密度產(chǎn)生各向異性，最終使其可以實(shí)現(xiàn)方向和角度可控的彎曲變形。原位激光還原沉積可以在水凝膠關(guān)節(jié)上精確加工銀納米顆粒，這些銀納米顆粒具有很強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，使多關(guān)節(jié)微機(jī)械的模態(tài)切換表現(xiàn)出超短響應(yīng)時(shí)間（30 ms）和超低驅(qū)動(dòng)功率（<10 mW）的優(yōu)異特性。

圖2. 基于空間多焦點(diǎn)光束刺激，多關(guān)節(jié)人形微機(jī)械展現(xiàn)出多個(gè)變形模態(tài)。

作為一個(gè)典型的示例，八個(gè)微關(guān)節(jié)被集成在一個(gè)人形微機(jī)械上。隨后，利用空間光調(diào)制技術(shù)在3D空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)光束，進(jìn)而精確地刺激每一個(gè)微關(guān)節(jié)。多個(gè)關(guān)節(jié)之間的協(xié)同變形促使人形微機(jī)械手完成多個(gè)可重構(gòu)的變形模態(tài)。最終，在微米尺度下實(shí)現(xiàn)了“舞動(dòng)的微機(jī)器人”（圖2）。

最后，作為概念驗(yàn)證，通過設(shè)計(jì)微關(guān)節(jié)的分布和變形方向，雙關(guān)節(jié)微型機(jī)械臂可以對(duì)同向和異向的多個(gè)微顆粒進(jìn)行收集（圖 3）。總之，飛秒激光二合一加工策略可以在各種三維微結(jié)構(gòu)局部區(qū)域構(gòu)建可變形的微關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多種可重構(gòu)的變形模態(tài)。未來，具有多種變形模態(tài)的微機(jī)械手將在微型貨物收集、微流體操作和細(xì)胞操縱方面展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。

圖3. 通過設(shè)計(jì)微關(guān)節(jié)的位置和變形方向，雙關(guān)節(jié)微機(jī)械臂能夠收集不同位置和方向的多個(gè)微貨物。

辛晨博士和任中國(guó)博士為該工作的共同第一作者，通訊作者為吳東教授。論文的合作者還包括中科大的褚家如教授、胡衍雷教授、李家文副教授、香港中文大學(xué)的張立教授等。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等基金的支持。

文章來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

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