Недавно группа профессора Гу Фусина под руководством академика Чжуан Сунлиня из Школы оптоэлектроники Китайского университета изобрела технологию лазерного захвата, основанную на эффекте фототермического удара, называемую фототермическим шоковым пинцетом, которая реализует захват и произвольные манипуляции. микро- и нанообъектов на границе раздела твердых тел и исследует их применение в наноробототехнике. Автономные нанороботы с мощной тягой в условиях сухого твердого контакта посредством фототермического удара» была опубликована 11 ноября 2012 года, а результаты опубликованы в журнале «Автономные нанороботы с мощной тягой в условиях сухого твердого контакта посредством фототермического шока». Автономные нанороботы с мощной тягой в условиях сухого твердого контакта в результате фототермического удара», была опубликована 24 ноября в журнале Nature Communications. Доктор Гу Чжаоци, Чжу Жуньлинь и Шэнь Тяньци были соавторами, а профессор Гу Фусин был автором-корреспондентом, а среди других соавторов были профессор Лю Сюй из Хэбэйского технологического университета и профессор Лю Цзя из Обернского университета, а также академик. Чжуан Сунлинь руководил всем исследованием. Исследование было поддержано Национальным фондом естественных наук Китая и Шанхая. Ожидается, что эта технология найдет беспрецедентное применение в различных областях, таких как нанопроизводство, биомедицина, аэрокосмическая и военная промышленность.
Система фототермических импульсных пинцетов может легко унаследовать робототехнику в макроскопическом мире и реализовать сценарии интеллектуальной роботизированной работы в микроскопическом мире. Команда использовала металлический нанолист в сочетании с распознаванием изображений, глубоким обучением, планированием пути и контролем обратной связи, чтобы создать первого в мире автономного наноробота с функцией очистки. Определив чистоту выбранной области, робот будет повторять цикл уборки до тех пор, пока не достигнет удовлетворительного уровня чистоты.
Лазерный захват (ловушка) считается мощным инструментом управления движением объектов в наномире, получившим Нобелевские премии по физике 1997 и 2018 годов за широкий спектр применения в средах со взвешенными средами, такими как вакуум и жидкости. но это по-прежнему сложно на твердых контактных поверхностях. Исследователи использовали импульсный источник света для нагрева микро- и нанообъекта, и поглощенная энергия светового импульса мгновенно преобразовывалась в механическое расширение, создавая чрезвычайно большую мгновенную нагрузку внутри объекта, называемую фототермическим ударом (PS). Мгновенный ударный эффект создает силу, которая намного превышает нормальный режим вибрации, точно так же, как мгновенная скорость выпада кормящихся змей намного превышает нормальную скорость ползания, поэтому он может преодолеть затруднительное положение микро-наносопротивления и реализовать движение на границе твердого тела. .
Схематическая диаграмма теоремы об импульсе-импульсе, иллюстрирующая визуальное сравнение выпада змеи и обычного ползания.
Свойство захвата лежит в основе технологии лазерных манипуляций, поскольку оно позволяет управлять движением частицы в зависимости от ее положения, обеспечивая произвольное управление движением, а не просто остановку при отсутствии контролируемого срабатывания. Золотые нанопроволоки в наносекундном импульсе 532 нм точечного действия гауссовского типа будут перемещаться внутрь пятна до тех пор, пока центр нанопроволоки и центр пятна не совпадут с центром пятна, что является типичным процессом захвата. . С помощью теоретического анализа исследователи обнаружили физический источник движущей силы фототермического удара, который называется силой фототермического градиента, поскольку выражение включает температурный градиент. При перемещении пятна равновесие распределения силы фототермического градиента нарушается, и нанопроволока вновь перемещается к центру пятна, и, постоянно повторяя процесс, нанопроволока перемещается в осевом направлении на всем протяжении пятна. Кроме того, для нанопроволоки, захваченной в центре пятна, увеличение мощности лазера приведет к тому, что концы нанопроволоки будут сжиматься большей силой фототермического градиента и изгибаться в сторону, тем самым осуществляя боковое движение. Это позволяет произвольно перемещать нанопроволоки в двумерной плоскости. На рисунке ниже показано, как команда использовала несколько нанопроволок для формирования китайского иероглифа «冲» и английского слова «SHOCK».
Фототермические импульсные пинцеты манипулируют нанопроводами
Используя палладиевые нанолисты в качестве основы, исследователи построили более сложного и универсального наноробота, получившего название HOUbot из-за его сходства с китайским мечехвостом (рис. 4а и видео). Робот способен свободно передвигаться, как автомобиль, и выполняет более высокую степень свободы и тонкие движения, такие как толкание головы, независимое покачивание хвостом и тыкание. Робот оснащен полупроводниковыми нанопроводами, которые можно использовать для измерения влажности на месте. Благодаря своей относительно большой поверхности робот обладает высокой грузоподъемностью: теоретическая полезная нагрузка составляет порядка миллиграммов (что эквивалентно массе муравья). Приняв существующую макромеханическую конструкцию для оснащения дополнительными бортовыми компонентами или грузом, HOUbot может работать как макроробот и является первым в мире нанороботом, который может выполнять конкретные задачи с использованием традиционных механических средств.
Связанная схема
Изобретение фототермических пинцетов позволило лазерным манипуляциям преодолеть дилемму межфазного сопротивления, дополнив среду применения световых манипуляций и позволив лазерам, наконец, реализовать способность произвольно манипулировать объектами в микро-наносреде, сравнимой с тремя мирами земли. море и воздух (вакуум/газ, жидкости и твердые тела). С физической точки зрения основное внимание уделяется нестационарной термоупругой динамике и трибологии, особенно неразрушающим исследованиям, которые дополнительно раскрывают понимание механодинамических процессов в микроскопической сфере. Эту технологию в принципе можно использовать в любом диапазоне длин волн и с любым поглощающим материалом. Кроме того, благодаря пространственной модуляции света и совместной работе нескольких роботов можно реализовать кластеры автономных нанороботов для выполнения сложных задач, которые в настоящее время недостижимы обычными средствами.
