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)動微米器件

當(dāng)光與物質(zhì)發(fā)生相互作用時，伴隨著光子的散射或者吸收常常會發(fā)生光子動量或角動量的轉(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，因此可以用光來對微觀物體進(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。但是迄今為止，利用光來實(shí)現(xiàn)對微觀物體的全自由度操控（二維空間：２個平動自由度＋１個轉(zhuǎn)動自由度；三維空間：３個平動自由度＋３個轉(zhuǎn)動自由度）仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。而利用電場或磁場的微觀操控也是類似的情況。

近日，來自德國維爾茨堡大學(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)理上與四旋翼無人機(jī)十分相似（圖１），因而被稱為微米無人機(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 四旋翼無人機(jī)和光驅(qū)動微米無人機(jī)的對比。

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

四旋翼無人機(jī)

四旋翼無人機(jī)是我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降淖疃嗟囊环N無人機(jī)（圖１ａ），常用于攝影攝像、貨物運(yùn)輸、燈光秀以及監(jiān)視探測等。四旋翼無人機(jī)的廣泛應(yīng)用得益于兩個主要的特點(diǎn)。首先，它是一種可以實(shí)現(xiàn)全部六個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，四旋翼無人機(jī)的控制機(jī)理反而非常簡單。它的全部活動機(jī)械部件僅僅是四個旋轉(zhuǎn)電動機(jī)和螺旋槳，而它的所有操控也是通過對每個電動機(jī)的獨(dú)立控制來實(shí)現(xiàn)。這其中的一個巧妙之處是四個螺旋槳分成了旋轉(zhuǎn)方向相反的兩對（圖１ａ，黑色箭頭表示旋轉(zhuǎn)方向），因此通過調(diào)節(jié)兩對螺旋槳轉(zhuǎn)速之間的平衡就可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動自由度的控制。簡單的結(jié)構(gòu)和機(jī)理使得四旋翼無人機(jī)非常便于維護(hù)和控制。上述這兩個特點(diǎn)又使得四旋翼無人機(jī)可以借助內(nèi)置的傳感器實(shí)現(xiàn)自動反饋控制，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。”吳曉飛博士如此表示。

微米無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

同四旋翼無人機(jī)一樣，微米無人機(jī)具備四個可獨(dú)立控制的發(fā)動機(jī)，它們被對稱地集成在一個透明圓形薄片內(nèi)。每個發(fā)動機(jī)由一個納米光學(xué)天線構(gòu)成，并且由特定波長和特定圓偏振的光場驅(qū)動（圖１ｂ中橙色和紅色圓形箭頭分別表示兩個波長和兩個圓偏振）。類似于無線電和微波天線，光學(xué)天線是一種在光學(xué)波段有效實(shí)現(xiàn)傳播場和局域場相互轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，通常為金屬納米結(jié)構(gòu)，尺寸小于半個光波長。當(dāng)垂直于器件入射的光照射到這些納米天線上時，它們會將相應(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，推動器件的移動或轉(zhuǎn)動。從圖１還可以看出，和四旋翼無人機(jī)一樣，微米無人機(jī)的四個發(fā)動機(jī)也是分成了手性相反的兩對。

兩個波長和兩個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)的三個自由度的六個方向的運(yùn)動，即前?后、左?右的平動以及順時針?逆時針的轉(zhuǎn)動，如圖２所示。這些對基本自由度的控制就構(gòu)成了器件沿任意軌跡運(yùn)動的基礎(chǔ)。需要指出的是，在進(jìn)行復(fù)雜軌跡的控制時，每個波長的光其實(shí)是兩個圓偏振分量的疊加，因此不是純圓偏振光。

納米發(fā)動機(jī)的原理決定了即使使用寬場光同時照射四個發(fā)動機(jī)，也不會造成對各個發(fā)動機(jī)控制的串?dāng)_。另外由于圓偏振光的連續(xù)旋轉(zhuǎn)對稱性，發(fā)動機(jī)對驅(qū)動光的響應(yīng)也與器件的朝向角度無關(guān)。這就意味著，當(dāng)使用兩個波長的重疊的寬場光來驅(qū)動微米無人機(jī)時，所有的操控僅僅通過調(diào)控每個發(fā)動機(jī)對應(yīng)的光分量的功率就可以實(shí)現(xiàn)。這一點(diǎn)也是和四旋翼無人機(jī)一致的地方，即控制機(jī)理非常簡單。

圖２ 微米無人機(jī)三個基本自由度的控制（黑色箭頭表示運(yùn)動方向）

圖源：吳曉飛（德國維爾茨堡大學(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)動機(jī)結(jié)構(gòu)的輪廓，然后再將整個金片從基底上揭下來，從而將發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)留在基底上?？涛g所利用的圖形則是基于每個像素的坐標(biāo)、劑量和順序，通過腳本程序產(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批量制備較復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。在完成納米發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的制備后，微米無人機(jī)的機(jī)身則是通過電子束光刻和化學(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)動機(jī)包覆于內(nèi)部，起到對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的固定和保護(hù)作用。

圖３ 納米發(fā)動機(jī)和微米無人機(jī)的掃描電鏡顯微圖（上下40°傾斜）

圖源：吳曉飛（德國維爾茨堡大學(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展示了對微米無人機(jī)在二維平面上操控的一些初步驗(yàn)證結(jié)果，包括三個基本自由度的控制和沿較復(fù)雜的路徑的運(yùn)動（８字形和螺旋線）。其中可以明顯看到由于布朗運(yùn)動的影響，器件的運(yùn)動軌跡并不平滑。這也是該項(xiàng)研究接下來要解決的問題。

研究展望

微米無人機(jī)的概念和原理可以擴(kuò)展到三維運(yùn)動的全部六個自由度的操控，而全自由度的獨(dú)立控制使得利用反饋控制來自動矯正諸如布朗運(yùn)動等帶來的擾動成為可能。維爾茨堡大學(xué)的科學(xué)家們期待在不遠(yuǎn)的將來可以實(shí)現(xiàn)微米無人機(jī)的穩(wěn)定的三維運(yùn)動以及懸停（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)到一個全新的水平。他們相信，以光驅(qū)動微米無人機(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)行對微觀環(huán)境的精確掃描。

審核編輯 ：李倩