中國科學技術大學微納米工程實驗室教授吳東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，隨后開發出具有多種變形模式（>10）的多關節人形微機械。相關研究成果日前發表于《自然-通訊》。
受人類多關節變形啟發，利用飛秒激光二合一多材料加工策略構建多關節人形微機械。中國科大供圖
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構，這些微結構在微納光學、微傳感器和微機器系統等領域展現出廣闊的應用前景。然而，如何利用飛秒激光實現復合多材料加工，并進一步構建具有多模態的微納機械仍極具挑戰。
飛秒激光二合一加工策略包括使用不對稱雙光子聚合構建水凝膠關節以及在關節局部區域激光還原沉積銀納米顆粒。其中，非對稱光聚合技術使水凝膠微關節局部區域的交聯密度產生各向異性，最終使其可以實現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換效應，使多關節微機械的模態切換表現出超短響應時間（30毫秒）和超低驅動功率（<10 毫瓦）的優異特性。
作為一個典型的示例，八個微關節被集成在一個人形微機械上。隨后，利用空間光調制技術在3D空間內實現多焦點光束，進而精確地刺激每一個微關節。多個關節之間的協同變形促使人形微機械手完成多個可重構的變形模態。最終，在微米尺度下實現了“舞動的微機器人”。
最后，作為概念驗證，通過設計微關節的分布和變形方向，雙關節微型機械臂可以對同向和異向的多個微顆粒進行收集。總之，飛秒激光二合一加工策略可以在各種三維微結構局部區域構建可變形的微關節，實現多種可重構的變形模態。
研究人員介紹，未來，具有多種變形模態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廣闊的應用前景。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40038-x
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