一種可在二維平面內(nèi)進(jìn)行全自由度獨(dú)立控制的光驅(qū)動(dòng)微米器件

當(dāng)光與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)，伴隨著光子的散射或者吸收常常會(huì)發(fā)生光子動(dòng)量或角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生施加在物體上的力或力矩。這些力和力矩作用在微觀物體上可以產(chǎn)生很大的加速度，因此可以用光來(lái)對(duì)微觀物體進(jìn)行非接觸操控。以光鑷技術(shù)為代表的光操控在一些領(lǐng)域獲得成功的應(yīng)用，特別是對(duì)于電磁中性的物體，例如電介質(zhì)微粒、生物細(xì)胞以及原子分子等。Arthur Ashkin 教授因此獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是迄今為止，利用光來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀物體的全自由度操控（二維空間：２個(gè)平動(dòng)自由度＋１個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；三維空間：３個(gè)平動(dòng)自由度＋３個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。而利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)的微觀操控也是類似的情況。

近日，來(lái)自德國(guó)維爾茨堡大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)院（注：倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的地方）納米光學(xué)組的吳曉飛博士和 Bert Hecht 教授等研究人員首次實(shí)現(xiàn)了一種可在二維平面內(nèi)進(jìn)行全自由度獨(dú)立控制的光驅(qū)動(dòng)微米器件（大小約2 μm，質(zhì)量約2 pg）。該器件在整體結(jié)構(gòu)和控制機(jī)理上與四旋翼無(wú)人機(jī)十分相似（圖１），因而被稱為微米無(wú)人機(jī)（microdrone）。

相關(guān)研究論文＂Light-driven microdrones＂于2022年４月21日在線發(fā)表在Nature Nanotechnology，并被 Nature 在“Research Highlight”【1】和 Nature Nanotechnology 在“News & Views”【2】中報(bào)道。

圖１ 四旋翼無(wú)人機(jī)和光驅(qū)動(dòng)微米無(wú)人機(jī)的對(duì)比。

圖源：吳曉飛（德國(guó)維爾茨堡大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)院納米光學(xué)組）

四旋翼無(wú)人機(jī)

四旋翼無(wú)人機(jī)是我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降淖疃嗟囊环N無(wú)人機(jī)（圖１ａ），常用于攝影攝像、貨物運(yùn)輸、燈光秀以及監(jiān)視探測(cè)等。四旋翼無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用得益于兩個(gè)主要的特點(diǎn)。首先，它是一種可以實(shí)現(xiàn)全部六個(gè)自由度控制的航空飛行器，而這一點(diǎn)是絕大多數(shù)其他航空飛行器做不到的。其次，相較于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的能力，四旋翼無(wú)人機(jī)的控制機(jī)理反而非常簡(jiǎn)單。它的全部活動(dòng)機(jī)械部件僅僅是四個(gè)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和螺旋槳，而它的所有操控也是通過(guò)對(duì)每個(gè)電動(dòng)機(jī)的獨(dú)立控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。這其中的一個(gè)巧妙之處是四個(gè)螺旋槳分成了旋轉(zhuǎn)方向相反的兩對(duì)（圖１ａ，黑色箭頭表示旋轉(zhuǎn)方向），因此通過(guò)調(diào)節(jié)兩對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)速之間的平衡就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的控制。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和機(jī)理使得四旋翼無(wú)人機(jī)非常便于維護(hù)和控制。上述這兩個(gè)特點(diǎn)又使得四旋翼無(wú)人機(jī)可以借助內(nèi)置的傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反饋控制，以保持非常穩(wěn)定的飛行軌跡和姿態(tài)?！八男頍o(wú)人機(jī)的這些特點(diǎn)正是我們希望我們的光操控器件也能夠具備的?！眳菚燥w博士如此表示。

微米無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

同四旋翼無(wú)人機(jī)一樣，微米無(wú)人機(jī)具備四個(gè)可獨(dú)立控制的發(fā)動(dòng)機(jī)，它們被對(duì)稱地集成在一個(gè)透明圓形薄片內(nèi)。每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)由一個(gè)納米光學(xué)天線構(gòu)成，并且由特定波長(zhǎng)和特定圓偏振的光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)（圖１ｂ中橙色和紅色圓形箭頭分別表示兩個(gè)波長(zhǎng)和兩個(gè)圓偏振）。類似于無(wú)線電和微波天線，光學(xué)天線是一種在光學(xué)波段有效實(shí)現(xiàn)傳播場(chǎng)和局域場(chǎng)相互轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，通常為金屬納米結(jié)構(gòu)，尺寸小于半個(gè)光波長(zhǎng)。當(dāng)垂直于器件入射的光照射到這些納米天線上時(shí)，它們會(huì)將相應(yīng)的光分量沿特定的方向散射出去（如圖１ｂ中的橙色和紅色的波狀小箭頭所示），從而產(chǎn)生橫向的反作用力，推動(dòng)器件的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖１還可以看出，和四旋翼無(wú)人機(jī)一樣，微米無(wú)人機(jī)的四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)也是分成了手性相反的兩對(duì)。

兩個(gè)波長(zhǎng)和兩個(gè)圓偏振一共可以形成六種基本組合，分別可以產(chǎn)生二維平面內(nèi)的三個(gè)自由度的六個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，即前?后、左?右的平動(dòng)以及順時(shí)針?逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖２所示。這些對(duì)基本自由度的控制就構(gòu)成了器件沿任意軌跡運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。需要指出的是，在進(jìn)行復(fù)雜軌跡的控制時(shí)，每個(gè)波長(zhǎng)的光其實(shí)是兩個(gè)圓偏振分量的疊加，因此不是純圓偏振光。

納米發(fā)動(dòng)機(jī)的原理決定了即使使用寬場(chǎng)光同時(shí)照射四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，也不會(huì)造成對(duì)各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制的串?dāng)_。另外由于圓偏振光的連續(xù)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)光的響應(yīng)也與器件的朝向角度無(wú)關(guān)。這就意味著，當(dāng)使用兩個(gè)波長(zhǎng)的重疊的寬場(chǎng)光來(lái)驅(qū)動(dòng)微米無(wú)人機(jī)時(shí)，所有的操控僅僅通過(guò)調(diào)控每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的光分量的功率就可以實(shí)現(xiàn)。這一點(diǎn)也是和四旋翼無(wú)人機(jī)一致的地方，即控制機(jī)理非常簡(jiǎn)單。

圖２ 微米無(wú)人機(jī)三個(gè)基本自由度的控制（黑色箭頭表示運(yùn)動(dòng)方向）

圖源：吳曉飛（德國(guó)維爾茨堡大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)院納米光學(xué)組）

器件的制備

納米發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制備是這項(xiàng)研究成功的關(guān)鍵。在制備方面，吳曉飛根據(jù)多年積累的微納米加工的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出一種高效和高精度的單晶金納米結(jié)構(gòu)的制備方法。該方法利用先進(jìn)的氦離子顯微鏡的聚焦離子束在化學(xué)合成的單晶金片上刻出納米發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的輪廓，然后再將整個(gè)金片從基底上揭下來(lái)，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)留在基底上?？涛g所利用的圖形則是基于每個(gè)像素的坐標(biāo)、劑量和順序，通過(guò)腳本程序產(chǎn)生。相比于傳統(tǒng)的用聚焦離子束刻蝕制備納米結(jié)構(gòu)的方法，該方法不僅大大節(jié)約了刻蝕的時(shí)間，而且在很大程度上改善了最終結(jié)構(gòu)的形貌和精度（圖３ａ）。這也是世界上首次報(bào)道利用氦離子束刻蝕來(lái)批量制備較復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。在完成納米發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的制備后，微米無(wú)人機(jī)的機(jī)身則是通過(guò)電子束光刻和化學(xué)腐蝕的方法制備而成（圖３ｂ），即用具有所需形狀的光刻膠薄片（厚度200 nm）將納米發(fā)動(dòng)機(jī)包覆于內(nèi)部，起到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的固定和保護(hù)作用。

圖３ 納米發(fā)動(dòng)機(jī)和微米無(wú)人機(jī)的掃描電鏡顯微圖（上下40°傾斜）

圖源：吳曉飛（德國(guó)維爾茨堡大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)院納米光學(xué)組）

二維平面全自由度控制的實(shí)驗(yàn)證明

視頻１展示了對(duì)微米無(wú)人機(jī)在二維平面上操控的一些初步驗(yàn)證結(jié)果，包括三個(gè)基本自由度的控制和沿較復(fù)雜的路徑的運(yùn)動(dòng)（８字形和螺旋線）。其中可以明顯看到由于布朗運(yùn)動(dòng)的影響，器件的運(yùn)動(dòng)軌跡并不平滑。這也是該項(xiàng)研究接下來(lái)要解決的問(wèn)題。

研究展望

微米無(wú)人機(jī)的概念和原理可以擴(kuò)展到三維運(yùn)動(dòng)的全部六個(gè)自由度的操控，而全自由度的獨(dú)立控制使得利用反饋控制來(lái)自動(dòng)矯正諸如布朗運(yùn)動(dòng)等帶來(lái)的擾動(dòng)成為可能。維爾茨堡大學(xué)的科學(xué)家們期待在不遠(yuǎn)的將來(lái)可以實(shí)現(xiàn)微米無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定的三維運(yùn)動(dòng)以及懸停（位置與姿態(tài)的保持，即便是在液體中），就像四旋翼無(wú)人機(jī)所能做到的那樣，由此將微觀操控技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)全新的水平。他們相信，以光驅(qū)動(dòng)微米無(wú)人機(jī)為基礎(chǔ)，人們可以探索很多新奇的應(yīng)用。除了比較直接的微觀物體的轉(zhuǎn)移與操控等應(yīng)用外，還可以將一些功能性的光學(xué)器件裝配在微米無(wú)人機(jī)上，例如納米光鑷、傳感器、金屬探針等等，從而將這些器件利用在特殊的情形或環(huán)境中，甚至執(zhí)行對(duì)微觀環(huán)境的精確掃描。

審核編輯 ：李倩