Нещодавно група професора Гу Фусінга під керівництвом академіка Чжуан Сонліня зі Школи оптоелектроніки Університету Китаю винайшла технологію лазерного захоплення, засновану на ефекті фототермічного шоку, під назвою Photothermal-Shock Tweezers, яка реалізує захоплення та довільні маніпуляції мікро- та нанооб'єктів на межі твердих тіл і досліджує його застосування в наноробототехніці. Автономні нанороботи з потужною тягою в умовах сухого твердого контакту за допомогою фототермічного удару» була опублікована 11 листопада 2012 року, а результати опубліковані в журналі «Автономні нанороботи з потужною тягою в умовах сухого твердого контакту за допомогою фототермічного удару». Автономні нанороботи з потужною тягою в умовах сухого твердого контакту за допомогою фототермічного удару" було опубліковано 24 листопада в Nature Communications. Доктор Gu Zhaoqi, Zhu Runlin і Shen Tianci були співавторами, а професор Gu Fuxing був автором-кореспондентом, тоді як інші співавтори включали професора Лю Сю з Хебейського технологічного університету та професора Лю Цзя з Обернського університету та академіка Чжуан Сонлінь керував усім дослідженням. Дослідження було підтримано Національним фондом природничих наук Китаю та Шанхаю. Очікується, що технологія досліджуватиме безпрецедентні застосування в різних галузях, таких як нановиробництво, біомедицина, аерокосмічна та військова медицина.
Система фототермічного імпульсного пінцета може легко успадкувати робототехніку в макроскопічному світі та реалізувати сценарії інтелектуальної робототехнічної роботи в мікроскопічному світі. Команда використала металевий нанолист у поєднанні з розпізнаванням зображень, глибоким навчанням, плануванням шляху та контролем зворотного зв’язку, щоб реалізувати першого в світі автономного наноробота з функцією очищення. Визнаючи чистоту вибраної ділянки, робот повторюватиме цикл очищення, доки не досягне задовільного рівня чистоти.
Лазерне захоплення (захоплення) вважається потужним інструментом для керування рухом об’єктів у наносвіті, отримавши Нобелівські премії з фізики 1997 та 2018 років за широкий спектр застосувань у середовищах із завислими середовищами, такими як вакуум і рідини, але це залишається складним завданням на твердих контактних поверхнях. Дослідники використовували імпульсне джерело світла для нагрівання мікро- та нанооб’єктів, і поглинена енергія світлового імпульсу миттєво перетворювалася на механічне розширення, створюючи надзвичайно велике миттєве навантаження всередині об’єкта, яке називається фототермічним ударом (PS). Ефект миттєвого удару створює силу, яка значно перевищує звичайний режим вібрації, так само як миттєва швидкість випаду змій, які харчуються, значно перевищує звичайну швидкість повзання, тому він може подолати скрутне становище мікронано опору та реалізувати рух на межі твердого тіла. .
Схематична діаграма теореми про імпульс-імпульс, яка ілюструє візуальне порівняння між випадом змії та звичайним повзанням.
Властивість захоплення лежить в основі технології лазерної маніпуляції, оскільки вона дозволяє керувати рухом частинки за допомогою позиції точки, уможливлюючи довільне керування рухом, а не просто зупинку через відсутність контрольованого спрацювання. Золоті нанодроти в 532-нм наносекундному імпульсі дії плями гауссового типу рухатимуться всередину плями, поки центр нанодроту та центр плями не будуть узгоджуватися з центром плями, що є типовим процесом захоплення . Завдяки теоретичному аналізу дослідники виявили фізичне джерело рушійної сили фототермічного удару, яка називається силою фототермічного градієнта, оскільки вираз включає градієнт температури. Під час переміщення плями рівновага розподілу сили фототермічного градієнта порушується, і нанонитка знову рухається до центру плями, і, повторюючи процес весь час, нанонитка рухається аксіально по всій дорозі з плямою. Крім того, для нанодроту, захопленого в центрі плями, збільшення потужності лазера призведе до того, що кінці нанодроту будуть стиснуті більшою силою фототермічного градієнта та згинаються вбік, таким чином реалізуючи бічний рух. Це забезпечує довільне переміщення нанодротів у двовимірній площині. На малюнку нижче показано використання командою кількох нанодротів для створення китайського ієрогліфа «冲» та англійського слова «SHOCK».
Фототермічний імпульсний пінцет маніпулює нанодротами
Використовуючи нанопластини паладію як шасі, дослідники побудували більш складний і універсальний наноробот, який отримав назву HOUbot через його схожість з китайським крабом-підковою (рис. 4а та відео). Робот здатний вільно пересуватися, як автомобіль, і виконує більший ступінь свободи та тонкі рухи, такі як штовхання головою, самостійне розмахування хвостом і тикання. Робот оснащений напівпровідниковими нанодротами, які можна використовувати для визначення вологи на місці. Завдяки своїй відносно великій поверхні робот має високу навантажуваність, з теоретичним корисним навантаженням порядку міліграмів (еквівалент маси мурахи). Завдяки застосуванню існуючої макромеханічної конструкції для оснащення додаткових бортових компонентів або вантажу HOUbot може працювати як макроробот і є першим у світі нанороботом, який може виконувати певні завдання за допомогою традиційних механічних засобів.
Пов'язана схема
Винахід фототермічного пінцета дозволив лазерним маніпуляціям подолати дилему міжфазного опору, доповнивши середовище застосування світлових маніпуляцій і дозволивши лазерам нарешті реалізувати здатність довільного маніпулювання об’єктами в мікронаносередовищі, яке можна порівняти з трьома світами землі, море та повітря (вакуум/газ, рідини та тверді речовини). Фізично увага зосереджена на перехідній термопружній динаміці та трибології, особливо неруйнівних дослідженнях, які ще більше розкривають розуміння механодинамічних процесів у мікроскопічній сфері. Технологію в принципі можна використовувати в будь-якому діапазоні довжин хвиль і з будь-яким поглинаючим матеріалом. Крім того, за допомогою просторової модуляції світла та взаємодії кількох роботів можна реалізувати кластери автономних нанороботів для виконання складних завдань, які наразі недосяжні звичайними засобами.
