个人中心
我是园区
退出
您还不是认证园区！
赶快前去认证园区吧！
“我们的微米无人机是目前为止世界上唯一一款使用光发动机实现平面内全部三个自由度独立控制的器件。并且，我们的概念和原理还可扩展到三维空间的全部六个自由度的控制。”对于自己的新论文，德国维尔茨堡大学物理与天文学学院吴晓飞博士表示。其中一位审稿人评价称，该研究显著促进了光操控领域的发展。
图 | 吴晓飞博士（来源：吴晓飞）
吴晓飞表示，该系列研究的最终目标，是用光驱动微米无人机的稳定运动和悬停，就像四旋翼无人机一样。
图 | 四旋翼无人机和光驱动微米无人机的对比。（来源：吴晓飞）
除了可用于微米无人机进行微观物体的运送、转移和操纵之外，还可把微米无人机当作一个能移动、并能保持位置和姿态的平台，将一些功能性的光学器件装配在机身上，类似于把相机等器材装配在四旋翼无人机上，例如纳米光镊、传感器、金属探针等，从而将它们变成可移动的器件，以在特殊环境中执行探测或特定操作，甚至执行对微观环境的精确扫描。
例如，把一个纳米传感器集成在微米无人机上，就能让它在微流通道里探测化学成分、以及粘滞系数等参数。再比如，利用集成在微米无人机上的金属探针，则可构成一个在液体环境中进行扫描、并同时通过测量针尖去增强拉曼散射谱的装置。
吴晓飞和同事们期待能探索出更多新奇应用，为此也申请了光驱动微米无人机的专利。
该研究在结构的制备加工上也有一些重要的创新结果，特别是利用氦离子显微镜的氦离子束首次较大规模制备复杂精细的金属纳米结构。这得益于吴晓飞研发的一种方法：先刻出纳米结构轮廓线，然后再把外围金属膜揭掉。
这种方法之所以重要，是因为虽然用氦离子束刻蚀纳米结构比通常用的镓离子刻蚀有更高的分辨率，但是前者的一个显著缺点是它的刻蚀效率很低（是镓离子束的几十甚至一百分之一），所以刻蚀同样的结构就需要非常长的时间。
也正因此，在该论文发表之前，所报道的利用氦离子束制备的复杂型纳米结构，都只是单个或少量几个结构。我们这次不仅是第一次报道批量制备复杂的金属纳米结构，而且所呈现的结构本身的质量也是达到了世界领先的水平。
4 月 21 日，相关论文发表在 Nature Nanotechnology 上[1]，论文题为《光驱动微米无人机》（Light-driven microdrones）。
图 | 相关论文（来源：Nature Nanotechnology）
“迷人”的原理和构想
总体来看，该工作既有结构和器件的巧妙设计，又有实验上技术的突破。人们研究光操控已有多年历史，其中光镊技术已经比较成熟，可实现比较复杂的三维多自由度控制。
但是，因为光镊原理本身的一些限制，导致利用光镊进行多自由度操控的器件尺寸普遍较大，因此灵活性较差。
另外，光镊利用的是光场梯度，单位光强产生的力一般较小。近年来，除了光镊，其他通过光来推动微观物体的实验报道层出不穷，但基本都限于一个自由度或半个自由度的控制。
课题组的研究内容主要是金属纳米结构的光学性质，其中一个主要对象是光学天线，即利用金属纳米结构和光的共振，来实现传播场和局域场的高效率耦合。通过天线结构的设计，还可实现对光频率、光偏振、以及光传播方向等自由度的选择性响应。
该研究的出发点则是利用光学天线的性质，来使光的方向（也就是动量）发生改变，即把纵向入射的光沿横向散射出去，从而产生横向的反作用推力。如果把这些光学天线集成在一个微观载体上，就可以推动载体产生运动。因此，光学天线其实是把光能、转化为机械能的光发动机。
光发动机产生推力的原理，就像航空或航天发动机一样，只不过前者抛射的是光子，而后者抛射的是燃烧后产生的高速气体分子。有别于光镊的是，这种纳米发动机并不需要利用聚焦光产生的梯度场，因此单位光强所产生的力可能相对更大，而且能构造出更小巧灵活的器件。
在课题组最初产生这些想法时（2015 年中），利用金属纳米结构产生驱动效果的实验研究还仅仅局限于产生物体的旋转：即只产生力矩。而那时已经有少数论文，开始在理论上探讨产生横向的推力和平动的可能性。
所以，吴晓飞和同事们想在实验上实现横向的推力和平动，基于此要进一步考虑如何实现对器件的多自由度的控制，而不是局限于让器件动起来。
他们的另一个考虑是，要利用光的圆偏振分量、来驱动器件的所有运动。这和之前报道的所有工作都不一样，此前一般仅利用圆偏振产生物体的转动、而不是平动。而他要利用圆偏振光分量，因为圆偏振光具有连续的旋转对称性，因此发动机对圆偏振光的响应，不会因为器件的转动而变化，也就是在操控上更简单。
为实现多个自由度的控制，就得使用多个可被独立控制的发动机。吴晓飞发现要实现多个自由度的独立控制，一个很好的办法就是效仿四旋翼无人机，即采用四个独立的发动机。
一开始，吴晓飞只想到利用不同波长的光，来分别控制每个发动机。但是，因为同时利用四束激光，本身已有很大难度。再加上纳米发动机的频谱很宽，全部四个波长必须涵盖一个非常大的范围，而且要避免四个发动机之间的串扰等，故设计难度很大。
在接下来的考量中，吴晓飞发现在使用光的圆偏振分量的情况下，如果采用适当的纳米发动机，即每个发动机只对某个特定波长的圆偏振分量有响应，那么利用两个波长的光就已足够。
两个波长和各自的两个圆偏振分量，正好构成四个独立的控制通道，分别对应着四个发动机。以这些性质为基础，仅通过改变每个发动机的功率，就能控制所有器件。
他说：“利用两个波长的光的圆偏振分量，来独立控制多个纳米发动机，以及仅通过改变每个发动机的功率，来实现对器件的全部控制，这不仅是创新之处，也是在实验中的首次实现。成功的关键，是独特的纳米发动机结构。”
图 | 微米无人机三个基本自由度的控制（黑色箭头表示运动方向）（来源：吴晓飞）
对于该工作，有一位审稿人表示该研究的原理和构想及其证明很迷人。此外，期刊主编在一个修改建议中表示，该研究本身就是精美和有吸引力的，不需要在措辞上进行额外“包装”。
实验过程就有整整五年
此项研究历时很长，实验过程就有整整五年（2016-2021）。大概经历了从实现器件转动、一维平动、转动+一维平动、到转动+二维平动的渐进的过程。
在该项目之前，课题组没有任何光操控方面的经验，很多方面都是从零开始。
最初，团队目标是首先让器件实现转动，但并没有想象中简单，因为他们没有在液体中的运动器件上的经验，对液体的粘滞力以及静电力估计不足。在项目开始大概一年之后，吴晓飞才第一次得到器件缓慢转动的结果。
之后，他又开始解决器件之间、以及器件和样品池基底间的静电吸附问题，这在当时是影响实验效果的主要问题。同样是因为经验不足，这个问题的解决又是一年之后了。
后来，他开始研究一个重要疑问，即为什么器件平动的结果一直很差？后来经过对一些对照结构的测量，他发现原因是当时一直采用的纳米发动机结构体积太大，导致吸收了太多的光，大量光子的自旋角动量转移到发动机上产生了很大的力矩，因此器件运动总是被转动所主导。
得出上述结论后，他想到了此前构想的一种发动机结构。该结构比之前结构的体积要小很多，不存在因为吸收太多光而产生过大力矩的问题。于是，吴晓飞又开始了新结构的数值模拟工作。
图 | 微米无人机在两个波长的宽场光的圆偏振分量驱动下做任意轨迹的运动（来源：吴晓飞）
接下来，他开始解决新结构制备的问题。在此期间，他开发出“先刻纳米结构轮廓线，后把外围金属膜揭掉”的方法。这不仅可大大节省离子束刻蚀的时间，还可改善纳米结构的形貌和精确度。得益于该方法，新发动机结构被成功制备出来。虽然事后知道类似的方法之前已经有报道，但是吴晓飞的方法不仅具有明显的优点，而且也被证明可有效用于复杂结构的制备。
之后，为给所制备的发动机结构做性能验证，吴晓飞耗时四五个月研究出一种间接测量发动机在单位光强下产生的力的方法，即通过测量结构的散射光的远场角分布，来计算散射光对结构产生的反作用力。
他说：“这个实验听起来简单实则非常困难，从样品制备、激发光圆偏振的产生、散射图形的测量、到最后各种数据的校准，都要控制得非常好。我也很高兴最终得到了和数值模拟吻合得非常好的实验结果。在这些性能测量之后，新发动机结构就被用于制备无人机器件，并得到了很好的器件平动的结果。”
图 | 纳米发动机和微米无人机的扫描电镜显微图（来源：吴晓飞）
2019 年底，他终于实现器件的转动和一维的平动的控制，但是必须分别用两个不同器件来实现。那时的器件只具备两个相同的纳米发动机，因此不能被单独控制。所以，他打算把之前就设想好的通过多个不同纳米发动机、以及两个波长的光，来实现多自由度控制的实验也做出来。
“但是现实又一次出乎我的意料。我们仍然是从两个发动机的器件开始，先尝试把其中一个发动机改成工作在第二个波长。但是在第二个波长工作的发动机结构制备出来后，一直没有表现出预期的性能。这个问题也迫使我转向使用氦离子束来制备纳米发动机结构。”
氦离子束确实让制备出的纳米结构具有更高的质量，但是仍未解决让两个纳米发动机同时工作的问题。一次，他突然想到可以把发动机结构的形状稍微做一下调整，让它回到最初做数值模拟时使用的形状，从而避免结构里存在一个很小的间隙，而这个间隙很可能就是问题所在。而且这个改变也可以使现阶段的两个自由度控制的器件的纳米发动机与之后要做的三个自由度控制的器件的纳米发动机具有很大的相似性。
随后，他根据新的数值模拟的结果，制备出实验样品并进行测量。两次尝试后，得到了比较成功的结果。此后，他又对三个自由度控制的器件做了几次验证，也比较顺利地获得了成功。
之后的一个步骤，是对纳米发动机结构的性能和几何参数，重新进行测量表征。表征完成之后，吴晓飞开始进行最终样品的制备和测量，并得到了最终的结果。
期间让他印象最深刻也觉得非常奇妙的是，决定这个研究最终取得成功的两种纳米发动机结构（分别用于两个自由度控制和三个自由度控制）全都是他在 2017 年 5 月产生灵感的最初的发动机结构，并且当时在短短几天之内就完成了数值模拟验证。
他说：“它们之前被雪藏了两年以上的时间，而它们的分别回归，却又都是因为我在下班回家的路上偶然想到的解决方法。当时我每天都是走路上下班，大概是 20分 钟的路程，中间大部分是一条只有行人和自行车的小路，不会受到打扰。因此我经常会在路上思考当天工作留下来的问题。”
器件的真正“威力”所在：实现稳定的运动和悬停
基于本次研究，一个非常直接的后续计划是：实现器件在三维空间的全部六个自由度的控制。只有这样，才能让器件实现非常稳定的运动轨迹和方位，也才是器件的真正“威力”所在。
和四旋翼无人机一样，当有了全自由度的控制，就能利用反馈控制回路来实现微米无人机的自动稳定，以克服诸如布朗运动等带来的扰动。
具体来说，要通过显微成像和计算机程序，去计算自动探测器件受到的扰动，然后根据扰动生成矫正控制信号，使器件迅速回到原位。而要实现另外三个平面外自由度的操控，需要设计出能对圆偏振光响应的、可产生纵向推力的纳米发动机。所以，自动反馈控制和产生纵向推力的纳米发动机，是接下来要做的两项具体工作。
回顾本次研究，给吴晓飞留下最深印象的是整个研究中出现各种问题和挑战但是都被一个个解决的过程。在此期间，纳米发动机的结构和制备方法、器件机身的材料和制备方法、将器件转移到液体中的方法、液体的成分、光学实验的方案等等方面全部都经历过不止一次的变更，正是在无数次失败的基础上才做到了每一个步骤和环节的成功，也才保证了最终目标的实现。
吴晓飞特别感谢课题组的伯特·赫克特（Bert Hecht）教授所提供的宽松环境，让他可以用五、六年的时间来专心完成一个项目。他说：“我很高兴有这样的机会证明来自己的设想和创意，并把结构器件做到极致水平，也把我十余年来积累的微纳米制备经验和技术都集大成于这样一篇论文。
当然，这项成果对 Hecht 教授和我自己可能都有点得不偿失。对 Hecht 教授来说，一篇 Nature 子刊论文，耗时五年的时间和投入可能还是太多。对我自己的事业发展来说，我这六年除了之前遗留的一项研究外，没有写过别的论文。我从六年前的青年到现在已经开始步入中年，面临着严峻的求职的窘境，一篇所谓的大子刊论文显然也抵偿不了这些‘损失’。”
“但是，我觉得有些研究领域的进展，正需要有人心无旁骛地钻研。我们这项研究是一个很好的案例来和年轻的科研工作者朋友们分享，即很多研究成果都不是一簇而就的，背后都有大量的投入和积累，所以有时候坚持就是研究取得成功最关键的地方。因此，我也希望科研环境能更包容和理性，给主动或被动坐冷板凳的人留下更多空间，这样才能形成各得其所、草木共生的可持续性良好生态。”他表示。
-End-
参考：
1、Wu, X., Ehehalt, R., Razinskas, G., Feichtner, T., Qin, J., & Hecht, B. Light-driven microdrones. Nature Nanotechnology 17, 477-484 (2022).
