光驅(qū)動(dòng)微米無人機(jī)
時(shí)間: 2022-05-02 09:51:18
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?。粒螅瑁耄椋睢〗淌谝虼双@得２０１８年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是迄今為止，利用光來實(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?。拢澹颍簟。龋澹悖瑁簟〗淌诘妊芯咳藛T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?。穑纾?。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?。恚椋悖颍铮洌颍铮睿澹螅⒂冢玻埃玻材辏丛拢玻比赵诰€發(fā)表在?。危幔簦酰颍濉。危幔睿铮簦澹悖瑁睿铮欤铮纾?，并被?。危幔簦酰颍濉≡凇埃遥澹螅澹幔颍悖琛。龋椋纾瑁欤椋纾瑁簟薄荆薄亢汀。危幔簦酰颍濉。危幔睿铮簦澹悖瑁睿铮欤铮纾≡凇埃危澹鳎蟆。Α。郑椋澹鳎蟆薄荆病恐袌?bào)道。圖１ 四旋翼無人機(jī)和光驅(qū)動(dòng)微米無人機(jī)的對(duì)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(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，四旋翼無人機(jī)的控制機(jī)理反而非常簡單。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對(duì)每個(gè)電動(dòng)機(jī)的獨(dú)立控制來實(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(gè)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(dòng)反饋控制，以保持非常穩(wěn)定的飛行軌跡和姿態(tài)。“四旋翼無人機(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(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，并且由特定波長和特定圓偏振的光場驅(qū)動(dòng)（圖１ｂ中橙色和紅色圓形箭頭分別表示兩個(gè)波長和兩個(gè)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(gè)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(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，和四旋翼無人機(jī)一樣，微米無人機(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關(guān)。這就意味著，當(dāng)使用兩個(gè)波長的重疊的寬場光來驅(qū)動(dòng)微米無人機(jī)時(shí)，所有的操控僅僅通過調(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(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，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(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(duì)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(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(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自動(dòng)矯正諸如布朗運(yùn)動(dòng)等帶來的擾動(dòng)成為可能。維爾茨堡大學(xué)的科學(xué)家們期待在不遠(yuǎn)的將來可以實(shí)現(xiàn)微米無人機(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(duì)微觀環(huán)境的精確掃描。論文信息Ｘｉａｏｆｅｉ?。祝?， Ｒａｐｈａｅｌ?。牛瑁澹瑁幔欤?， Ｇａｒｙ?。遥幔椋睿螅耄幔螅。裕瑁铮颍螅簦澹睢。疲澹椋悖瑁簦睿澹?， Ｊｉｎ?。眩椋睢。Α。拢澹颍簟。龋澹悖瑁簦。蹋椋纾瑁簦洌颍椋觯澹睢。恚椋悖颍铮洌颍铮睿澹螅。危幔簦酰颍濉。危幔睿铮簦澹悖瑁睿铮欤铮纾。ǎ玻埃玻玻。瑁簦簦穑螅海洌铮椋铮颍纾保埃保埃常福螅矗保担叮担埃玻玻埃保埃梗梗樱瑁幔颍澹洌桑簟。欤椋睿耄骸。瑁簦簦穑螅海颍洌悖酰猓澹悖蹋校叮稀。ǎ妫酰欤欤簦澹簟。幔悖悖澹螅蟆。簦铩。帷。觯椋澹鳎铮睿欤。觯澹颍螅椋铮睿﹨⒖嘉墨I(xiàn)【１】?。瑁簦簦穑螅海洌铮椋铮颍纾保埃保埃常福洌矗保担福叮埃玻玻埃保保常玻啊荆病俊。蹋椋。兀。危纾。剩。停椋悖颍铮洌颍铮睿澹蟆。螅铮幔颉。猓。颍澹悖铮椋欤椋睿纭。欤椋纾瑁簦。危幔簦。危幔睿铮簦澹悖瑁睿铮欤。ǎ玻埃玻玻。瑁簦簦穑螅海洌铮椋铮颍纾保埃保埃常福螅矗保担叮担埃玻玻埃保埃梗矗撮喿x原文