中国科大实现飞秒激光复合材料加工多关节微机械

近年来，飞秒激光双光子聚合技术作为一种具有纳米精度的真三维加工方式已被广泛应用于制造各种功能微结构，这些微结构在微纳光学，微传感器和微机器系统等领域展现出广阔的应用前景。然而，如何利用飞秒激光实现复合多材料加工，并进一步构建具有多模态的微纳机械仍极具挑战。鉴于此，中国科学技术大学微纳米工程实验室吴东教授团队提出了一种飞秒激光二合一写入多材料的加工策略，制造了由温敏水凝胶和金属纳米颗粒组成的微机械关节，随后开发出具有多种变形模式(>10)的多关节人形微机械。该工作于7月17日以“Light-triggered multi-joint microactuator fabricated by two-in-one femtosecond laser writing”为题发表于Nature Communications。

              图1. 受人类多关节变形启发，利用飞秒激光二合一多材料加工策略构建多关节人形微机械。
 
　　飞秒激光二合一加工策略包括使用不对称双光子聚合构建水凝胶关节以及在关节局部区域激光还原沉积银纳米颗粒(Ag NPs)(图1)。其中，非对称光聚合技术使水凝胶微关节局部区域的交联密度产生各向异性，最终使其可以实现方向和角度可控的弯曲变形。原位激光还原沉积可以在水凝胶关节上精确加工银纳米颗粒，这些银纳米颗粒具有很强的光热转换效应，使多关节微机械的模态切换表现出超短响应时间(30 ms)和超低驱动功率(<10 mW)的优异特性。

                            图2. 基于空间多焦点光束刺激，多关节人形微机械展现出多个变形模态。
 
　　作为一个典型的示例，八个微关节被集成在一个人形微机械上。随后，利用空间光调制技术在3D空间内实现多焦点光束，进而精确地刺激每一个微关节。多个关节之间的协同变形促使人形微机械手完成多个可重构的变形模态。最终，在微米尺度下实现了“舞动的微机器人”(图2)。
 
　　最后，作为概念验证，通过设计微关节的分布和变形方向，双关节微型机械臂可以对同向和异向的多个微颗粒进行收集(图 3)。总之，飞秒激光二合一加工策略可以在各种三维微结构局部区域构建可变形的微关节，实现多种可重构的变形模态。未来，具有多种变形模态的微机械手将在微型货物收集、微流体操作和细胞操纵方面展现广阔的应用前景。

          图3. 通过设计微关节的位置和变形方向，双关节微机械臂能够收集不同位置和方向的多个微货物。
 
　　辛晨博士和任中国博士为该工作的共同第一作者，通讯作者为吴东教授。论文的合作者还包括中科大的褚家如教授、胡衍雷教授、李家文副教授、香港中文大学的张立教授等。该项研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等基金的支持。