摘要

庄松林院士领导的上海理工大学光电学院谷付星教授团队，创新性地研发出了一种基于光热冲击效应的激光捕获技术——“光热冲镊”（Photothermal-Shock Tweezers），成功地实现了在固体接触表面上对微纳物体的捕获与任意操控，并探索了其在纳米机器人领域的应用潜力。这项突破性的研究成果于2023年11月24日在《自然通讯》杂志上发表。

光热冲击原理

在固体界面上，微纳物体的运动受到显著的阻力限制，这使得在这些表面上操控物体成为一个挑战。谷付星教授团队提出的方法巧妙地利用了光热冲击效应。通过将脉冲光源聚焦于微纳物体上，被吸收的光脉冲能量瞬间转化为机械膨胀，产生巨大的瞬时载荷，即光热冲击。这种瞬间冲击产生的力远远超过了常规振动模式所能产生的力，如同蛇类捕食时瞬间爆发的速度，极大地提高了克服微纳物体阻力的能力，从而实现了在固体界面上的移动。

光热冲镊技术的应用

谷付星教授团队成功发明的“光热冲镊”技术，不仅能够捕获微纳物体，还能实现其在二维平面上的任意移动。通过精确控制光斑的位置，研究人员能够引导微纳物体按照预设路径移动，甚至实现轴向和侧向的动态操控。这一技术的应用范围广泛，不仅限于微纳物体的移动，还能够通过操纵微纳物体实现复杂的操作，如拼接成特定图案，如汉字“冲”和英文单词“SHOCK”。

纳米机器人应用

基于光热冲镊技术，团队开发了结构简单且功能多样的纳米机器人。这些机器人能够利用光热冲镊实现对微纳物体的精准操控，从而执行包括移动、旋转等在内的多种动作。更为重要的是，它们能够执行诸如清洁等任务，展示了在微观环境中的自主操作能力。其中，“HOUbot”机器人更是展现了高自由度和精细的操作能力，通过整合深度学习和反馈控制等先进技术，实现了自主导航和任务执行。

产业化前景

谷付星教授团队预计，光热冲镊技术将在科研仪器领域大放异彩，为微纳器件提供智能化制造手段。未来，该技术有望实现科研人员的远程、实时操控，只需通过触摸屏设备即可在显微镜下实现对纳米物体的精细操作。通过与大数据分析和强化学习技术的结合，纳米机器人将能够实现更加复杂的自动化组装任务。

结论

光热冲镊技术的发明标志着在微纳环境中的物体操控取得了重大进展，为纳米制造、生物医学、航空航天等多个领域开辟了新的可能性。该技术的产业化将极大地促进科学研究的进步，同时也将推动纳米科技的广泛应用和发展。