Nature子刊：比红细胞还小的“无人机”，用光操控

人们很早就发现，光子与物质发生相互作用时，伴随着光子被吸收或散射，会产生线动量或角动量的传递，从而在物体上施加力或力矩。比如，彗星的“尾巴”就是由于太阳的“光压”，而总是指向远离太阳的方向。尽管这种力所产生的加速度对于宏观物体来说小到足可忽略，但对于质量和转动惯量较小的微观物体就很可观了。2018年，Arthur Ashkin凭借其发明的“光镊”，即用光当作“镊子”一样移动物体，以及其在生物系统中的应用，荣获当年的诺贝尔物理学奖（点击阅读详细）。

彗星的“尾巴”。图片来源于网络

近日，受常见的四旋翼无人机的启发，德国维尔茨堡大学Bert Hecht教授和Xiaofei Wu博士等研究者在Nature Nanotechnology 杂志上报道了一种水环境中的光驱动微米无人机（microdrone），可以使用两个重叠的非聚焦光场（波长830 nm和 980 nm）进行二维全部三个独立自由度（两个平移和一个旋转）的操作。这种微米无人机大小约2微米，仅为人体红细胞的约三分之一，却包括多达四个可单独寻址的手性等离激元纳米天线充当纳米马达，这种结构非常类似常见的四旋翼无人机。这种微米无人机通过吸收偏振光反冲动量实现移动，有望应用于货物运输和释放、纳米操纵以及纳米尺度和介观尺度物体的局部探测和传感。

偏振光如何对微米无人机施加扭矩和力。图片来源：Nat. Nanotechnol.^[1]

常见的四旋翼无人机，四个螺旋桨具有复杂的操控能力，可以实现机身在三维空间中进行六个自由度的超控。研究者受其启发，设计的微米无人机由两部分组成，一个带有凹口的直径~ 2 μm的硅氧烷圆盘（可以看作是“机身”），以及两组或四组光学金纳米天线（可以看作是“螺旋桨”），全部重量仅~2 pg。光学天线对特定波长（830 nm和980 nm）的偏振光产生响应，且互不干扰。当入射光垂直照射到天线上时，光子沿着特定的方向发生散射，从而产生横向的反作用力，推动器件移动或平面旋转。

微米无人机驱动示意图。图片来源：Nat. Nanotechnol.

光学天线采用聚焦氦离子束在化学合成的单晶金片上加工而成，由于氦离子束的高分辨率，使得制备的纳米天线显示出精确一致的几何形状。为了产生横向推力，研究者设计了两种不同的纳米天线结构：对称结构（I型）和非对称结构（II型），也由此产生了“两驱”和“四驱”两类微米无人机的驱动模式。

纳米天线的工作原理。图片来源：Nat. Nanotechnol.

微米无人机光学照片和SEM图像。图片来源：Nat. Nanotechnol.

“两驱”模式由两组I型天线组成，在两个相反方向上产生相同的横向推力，可以在两个自由度下驱动，即前后平移和旋转；而“四驱”模式由四组II型天线组成，由于其非对称性，仅能在一个方向上产生推力，在不同组合的偏振光照射下，可以再提供一个额外的新自由度——左右平移，实现二维全自由度驱动。

“两驱”和“四驱”微米无人机的驱动模式示意图。图片来源：Nat. Nanotechnol.

“两驱”微米无人机的光驱动旋转。图片来源：Nat. Nanotechnol.

“四驱”微米无人机的二维全自由度驱动。图片来源：Nat. Nanotechnol.

对于“两驱”微米无人机，驱动运动的光照强度可以比传统“光镊”低几个数量级。在平均强度为~0.3 mW µm⁻²的偏振光照射下，线性运动的速度达8 nm ms⁻¹。除了基本运动，通过增加或减少两种波长光照之间的功率比，无人机还可以沿复杂路径“行驶”，比如8字图形或螺旋图形。“四驱”微米无人机由于增加了一个自由度，可以实现更精准的操作和复杂的路径。

“两驱”微米无人机的驱动实验。图片来源：Nat. Nanotechnol.

“四驱”微米无人机的驱动实验。图片来源：Nat. Nanotechnol.

不过，三维运动需要控制全部6个自由度，可能意味着更多的天线和光束，布朗运动等扰动也会造成进一步影响，更具有挑战性。研究者称，下一步将考虑如何实现微米无人机的垂直运动，以及提高微米无人机的运动速度  ^[2]。“这些无人机基于之前研发的光学天线，即尺寸小于光波长的金属结构，经过专门地优化设计，可用于接收圆偏振光”，Wu Xiaofei博士说 ^[3]，“除了直接操控微观物体外，还可以将一些功能性的光学器件装配在微米无人机上，例如纳米传感器、金属探针等，从而实现特殊环境下的探测及精确扫描”。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点击查看原文）：

Light-driven microdrones 

Xiaofei Wu, Raphael Ehehalt, Gary Razinskas, Thorsten Feichtner, Jin Qin & Bert Hecht

Nat. Nanotechnol., 2022, 17, 477-484, DOI: 10.1038/s41565-022-01099-z

参考文献：

[1] X. Li, J. Ng, Microdrones soar by recoiling light. Nat. Nanotechnol. 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01094-4

[2] Light drives ‘microdrones’ every which way

Nature 2022, 605, 10. DOI: 10.1038/d41586-022-01132-0

[3] Microdrones With Light-driven Nanomotors

https://www.uni-wuerzburg.de/en/news-and-events/news/detail/news/licht-motoren-fuer-mikrodrohnen-1/ 

（本文由小希供稿）