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暨南大学辛洪宝LPR：光驱微机器集群——微观世界的美丽牵牛花

花匠小妙招
2025-09-16 01:38

创新点：团队提出一种基于马兰戈尼效应的光-热-流体力法，通过在水-空气界面的激光诱导，将随机分布的微粒重新组织成形似牵牛花花瓣的动态微机器集群。该集群具有四极方向分布的四个牵牛花的形态，且每瓣“花瓣”可通过调整光纤与水-空气界面的角度来可控地重新配置，并实现远距离稳定迁移。这种技术还可用于构建生物单颗粒的人工三维动态微机器集群，进行调控细胞的生命过程。该研究为三维动态微机器集群构建提供了全新可能性。

关键词：三维微机器集群光热诱导马兰戈尼效应光流体力生物细胞微集群

图1 光-热-流体力法驱动的微机器集群示意图，显示了在激光照射下水-空气界面处的粒子运动状态。

在微观尺度，研究者们一直在追求构建具有智能和协作能力的微型机器人，以开拓微机器集群在微纳光学与生物医学、微环境工程等学科的交叉领域内新的应用方向。现如今，由暨南大学辛洪宝课题组研发的一项名为“光-热-流体力驱动微机器集群”的技术，为微机器集群在更多微环境应用场景带来了新的可能性。相关工作发表在Laser & Photonics Reviews，第一作者为暨南大学博士研究生李醒，通讯作者为辛洪宝教授和史阳助理教授。

图2 通过调整TOF角度可重新配置微机器集群的“花瓣”分布。当入射角θ减小(I)或增大(III)时，微集群“花瓣”(II)向左或向右移动，模拟和实验结果证明了微集群“花瓣”的可重构性。上图：示意图。中图：模拟结果。下图：实验结果。比例尺：50微米

这一技术依赖于光热产生温度梯度变化诱导的马兰戈尼效应，通过使用锥形光纤(TOF)和1.55微米波长的激光照射，辛洪宝团队成功实现了对大量微米级粒子的构建和操控，形成了三维空间的动态微机器集群。这些微机器集群看起来宛如绽放的牵牛花，且在形态上拥有四朵 “花瓣”，这些花瓣的空间分布可以通过改变TOF与水面的角度来调控，这使得这种微机器集群具有了强大的可塑性和可控性。此外，与传统的微型机器人不同，这些微机器集群还具有出色的稳定性，可以在光的驱动下进行稳定的迁移，甚至可以在不改变形状和组分的情况下穿越障碍物。这使得它们可以在复杂的微观环境中稳定自如地进行远途迁移，执行更多的空间性任务。

这项技术还可以应用于不同生物细胞的人工微机器集群构建，调控生物细胞的生命进程，如加速细菌的生长和分裂。这为如肠道内大肠杆菌菌群诱发疾病的治疗和对生物细胞生命进程的进一步研究提供了全新的工具和方法，具有广泛的生物医学应用前景。此外，这一技术还展示了光-热相互作用的优势，无需实际物理接触，即可实现对微米级图案的精确操控。具有上述诸多优势的光驱微机器集群技术将不仅成为微环境工程和生物医学的得力助手，还可为光学操控、光调控的三维图案和变形、光-生物调控及光控微机器集群等诸多光学应用领域带来了崭新的应用前景。

WILEY

论文信息：

Opto-Hydrodynamic Driven 3D Dynamic Microswarm Petals

Xing Li, Yang Shi*, Ting Pan, Dengyun Lu, Guoshuai Zhu, Jianyun Xiong, Danning Wang, Ziyi He, Jingping Huang, Hongbao Xin*

Laser & Photonics Reviews

DOI: 10.1002/lpor.202300480

Laser

& Photonics

Reviews

期刊简介

Laser & Photonics Reviews是一份双月刊同行评审科学期刊，涵盖光学科学各个方面的研究，由Wiley-VCH出版，包含综述、论文、快讯文章等内容，2021年影响因子13.138。

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