近日，德國(guó)維爾茨堡大學(xué)的物理學(xué)家成功利用光在水環(huán)境中驅(qū)動(dòng)微米大小的無人機(jī)，并精確控制它們。這個(gè)比紅細(xì)胞還小的無人機(jī)有望為納米和微米物體的處理提供全新的選擇。
人們很早就發(fā)現(xiàn)，彗星的尾巴由于光壓總是指向遠(yuǎn)離太陽的方向。當(dāng)光子與物質(zhì)相互作用時(shí)，有動(dòng)量和角動(dòng)量的傳遞。對(duì)于宏觀物體，由此產(chǎn)生的加速度很小，但對(duì)于質(zhì)量和慣性矩都很小的微觀物體，它會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因此，利用光子反沖力來推動(dòng)納米物體就顯得非常有吸引力。
德國(guó)維爾茨堡大學(xué)物理學(xué)家伯特·赫希特教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)首次表明，不僅可在水環(huán)境中用光有效地推進(jìn)微米級(jí)物體，還可精確地控制它們。科學(xué)家們以普通飛行無人機(jī)為范例，展示了水環(huán)境中的光驅(qū)動(dòng)微型無人機(jī)，并通過四個(gè)獨(dú)立的納米馬達(dá)精確地控制運(yùn)動(dòng)。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志上。
該微型無人機(jī)由一個(gè)直徑為2.5微米的透明聚合物圓盤組成，盤中嵌入了四個(gè)可單獨(dú)操控的納米天線來充當(dāng)馬達(dá)，可將驅(qū)動(dòng)光的圓偏振分量共振散射到明確定義的方向上。簡(jiǎn)單地說，可理解為接收到光能后由光引擎在特定方向上輻射。這取決于偏振的旋轉(zhuǎn)方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)以及兩種不同波長(zhǎng)的光波。
納米天線是精確控制無人機(jī)的關(guān)鍵。制備過程中要用高精度可控聚焦離子束在單晶金片上刻蝕納米結(jié)構(gòu)，剪出具有反射器和導(dǎo)向器以及必要的連接線的天線形狀。經(jīng)過特別優(yōu)化，無論無人機(jī)的方向如何，都允許接收光線，這對(duì)于適用性至關(guān)重要。
微型無人機(jī)質(zhì)量只有2皮克，可在3個(gè)獨(dú)立的自由度(兩個(gè)平移和一個(gè)旋轉(zhuǎn))中進(jìn)行操縱。驅(qū)動(dòng)概念類似于日常的多旋翼無人機(jī)。由于所有自由度都可獨(dú)立和直接地控制，因此還可使用反饋控制回路來抵消布朗運(yùn)動(dòng)，以便能夠自動(dòng)糾正外部影響。
這種控制可能性為通常極其困難的納米和微米物體的處理提供了全新的選擇。例如，可在3個(gè)維度上掃描或排列納米顆粒，或者操縱細(xì)胞內(nèi)的物體。未來還可設(shè)想將工具附加到微型無人機(jī)上，使其在納米和微米尺度物體的局部探測(cè)和傳感中找到應(yīng)用。 (記者李山)
關(guān)鍵詞： 德國(guó)研發(fā) 光驅(qū)控微型無人機(jī) 精確控制 微米級(jí)物體
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