近日，我校光電學院莊松林院士帶領下的谷付星教授課題組，發明了一種基于光熱沖擊效應的激光捕獲技術，稱為光熱沖鑷（Photothermal-Shock Tweezers），實現了固體界面上對微納物體的捕獲及任意操控，并探索了其納米機器人應用。相關成果“通過光熱沖擊在干固體接觸條件下產生強大推力的自主納米機器人”（Autonomous nanorobots with powerful thrust under dry solid-contact conditions by photothermal shock）于11月24日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。團隊成員博士生顧兆麒、朱潤琳和沈天賜為共同第一作者，谷付星教授為通訊作者，其他單位的合作者包括河北工業大學劉旭教授及美國奧本大學劉嘉教授，莊松林院士全程指導該研究。研究工作得到了國家及上海自然科學基金的資助。該技術有望在納米制造、生物醫學、航空航天及軍事等各個領域發掘出前所未有的應用場景。
光熱沖鑷系統可以無縫繼承宏觀世界中的機器人技術，在微觀世界中實現智能機器人工作的場景。團隊使用一個金屬納米片，結合圖像識別、深度學習、路徑規劃、及反饋控制等技術，實現了世界上第一個具有清潔功能的自主納米機器人。通過識別所選取區域的清潔程度，機器人將重復清掃循環，直至達到滿意的清潔度。
論文共同第一作者博士生朱潤琳、顧兆麒、沈天賜（從右至左）
據了解，激光捕獲(Trapping)是納米世界操控物體運動的強大工具，因其在真空和液體等懸浮介質環境中的廣泛應用而榮獲1997年和2018年諾貝爾物理學獎，但在固體接觸表面上仍然具有挑戰性。研究人員使用脈沖光源加熱微納物體，被吸收的光脈沖能量瞬間轉化為機械膨脹，在物體內部產生極大的瞬時載荷，稱為光熱沖擊（Photothermal Shock）。該瞬間沖擊效應產生的作用力遠超普通振動模式，就像蛇類捕食瞬間猛撲速度遠超一般爬行速度，因此可以打破微納阻力困境，實現在固體界面上的移動。
沖量-動量定理原理圖，插圖展示了蛇類猛撲和一般爬行的視覺對比
捕獲(Trapping)特性是激光操控技術的核心，因為它可以通過光斑位置來掌握粒子的動向，實現任意的運動控制，而不僅僅止步于缺乏控制的致動(Actuation)。金納米線在532nm納秒脈沖的高斯型光斑作用下，會向光斑內部移動，直到納米線的中心與光斑中心一致，這是一個典型的捕獲過程。研究人員通過理論分析，找到了光熱沖擊驅動力的物理來源，因表達式中包含溫度梯度，因此該力被稱為光熱梯度力。當移動光斑時，光熱梯度力分布平衡被打破，納米線重新向光斑中心移動，一直重復該過程，納米線就會隨著光斑一直軸向移動。另外對被捕獲在光斑中央的納米線，提高激光功率將會使納米線兩端受到更大光熱梯度力擠壓而側向彎曲，從而實現側向移動。這樣就實現了納米線在二維平面上的任意運動。如下圖展示了研究團隊將多根納米線拼成漢字“沖”和英文單詞“SHOCK”的圖案。
光熱沖鑷操控納米線
研究人員又利用金屬鈀納米片為底盤搭建了一個結構更復雜、功能更多樣的納米機器人，因形似中華鱟，被稱為HOUbot(圖4a及視頻)。該機器人能像汽車一樣自由移動 ，并做出頭部推動、獨立尾部搖擺和戳刺等更高自由度和精細的動作。機器人身上搭載半導體納米線可用于原位濕度傳感。由于其相對較大的表面，該機器人具有很強負載能力，理論有效載荷可以達到毫克量級(相當于一只螞蟻的質量)。通過采用現有的宏觀機械設計來裝備更多的機載組件或貨物，HOUbot可以像宏觀機器人一樣工作，是世界首個利用傳統機械手段實現的可執行具體任務的納米機器人。
相關原理圖
光熱沖鑷技術的發明使得激光操縱突破了界面阻力困境，補全了光操縱的應用環境，使得激光最終實現了可在堪比海陸空三界（真空/氣體，液體及固體）的微納環境中任意操控物體。在物理上，則聚焦了瞬態熱彈性動力學和摩擦學，特別是非破壞性研究，這進一步揭示微觀領域機械動力過程的理解。該技術原理上可以用于任何波長范圍和任何可吸收材料。此外，通過空間光調制和多機器人協作，可以實現自主納米機器人集群，完成目前常規手段不能實現的復雜任務。
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