近年來，飛秒激光雙光子聚合技術作為一種具有納米精度的真三維加工方式已被廣泛應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，微傳感器和微機器系統(tǒng)等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。然而，如何利用飛秒激光實現(xiàn)復合多材料加工，并進一步構(gòu)建具有多模態(tài)的微納機械仍極具挑戰(zhàn)。鑒于此，中國科學技術大學微納米工程實驗室吳東教授團隊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械關節(jié)，隨后開發(fā)出具有多種變形模式（>10）的多關節(jié)人形微機械。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)建多關節(jié)人形微機械。飛秒激光二合一加工策略包括使用不對稱雙光子聚合構(gòu)建水凝膠關節(jié)以及在關節(jié)局部區(qū)域激光還原沉積銀納米顆粒（Ag NPs）（圖1）。其中，非對稱光聚合技術使水凝膠微關節(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節(jié)上精確加工銀納米顆粒，這些銀納米顆粒具有很強的光熱轉(zhuǎn)換效應，使多關節(jié)微機械的模態(tài)切換表現(xiàn)出超短響應時間（30 ms）和超低驅(qū)動功率（<10 mW）的優(yōu)異特性。
圖2. 基于空間多焦點光束刺激，多關節(jié)人形微機械展現(xiàn)出多個變形模態(tài)。作為一個典型的示例，八個微關節(jié)被集成在一個人形微機械上。隨后，利用空間光調(diào)制技術在3D空間內(nèi)實現(xiàn)多焦點光束，進而精確地刺激每一個微關節(jié)。多個關節(jié)之間的協(xié)同變形促使人形微機械手完成多個可重構(gòu)的變形模態(tài)。最終，在微米尺度下實現(xiàn)了“舞動的微機器人”（圖2）。最后，作為概念驗證，通過設計微關節(jié)的分布和變形方向，雙關節(jié)微型機械臂可以對同向和異向的多個微顆粒進行收集（圖 3）?？傊?，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)建可變形的微關節(jié)，實現(xiàn)多種可重構(gòu)的變形模態(tài)。未來，具有多種變形模態(tài)的微機械手將在微型貨物收集、微流體操作和細胞操縱方面展現(xiàn)廣闊的應用前景。
圖3. 通過設計微關節(jié)的位置和變形方向，雙關節(jié)微機械臂能夠收集不同位置和方向的多個微貨物。辛晨博士和任中國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、香港中文大學的張立教授等。該項研究工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發(fā)計劃等基金的支持。
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