Äskettäin professori Gu Fuxingin ryhmä akateemikko Zhuang Songlinin johdolla Kiinan yliopiston optoelektroniikan koulusta on keksinyt fototermiseen shokkiefektiin perustuvan laserkaappaustekniikan, nimeltä Photothermal-Shock Tweezers, joka toteuttaa sieppauksen ja mielivaltaisen manipuloinnin. mikro- ja nano-objekteja kiinteiden aineiden rajapinnassa ja tutkii sen nanorobotiikan sovelluksia. Autonomiset nanorobotit, joilla on voimakas työntövoima kuivissa kiinteässä kosketusolosuhteissa fototermisen shokin avulla" julkaistiin 11. marraskuuta 2012, ja tulokset julkaistiin lehdessä "Autonomous Nanorobots with Powerful Thrust under Dry Solid-Contact Conditions by Photothermal Shock". Autonomous nanorobots voimakkaalla työntövoimalla kuivissa kiinteässä kosketusolosuhteissa fototermisen shokin avulla" julkaistiin 24. marraskuuta Nature Communicationsissa. Tohtori Gu Zhaoqi, Zhu Runlin ja Shen Tianci olivat yhteiskirjoittajia ja professori Gu Fuxing vastaava kirjoittaja, kun taas muita yhteistyökumppaneita olivat professori Liu Xu Hebein teknillisestä yliopistosta ja prof. Liu Jia Auburnin yliopistosta sekä akateemikko Zhuang Songlin ohjasi koko tutkimusta. Tutkimusta tukivat Kiinan ja Shanghain National Natural Science Foundation. Teknologian odotetaan tutkivan ennennäkemättömiä sovelluksia eri aloilla, kuten nanovalmistuksessa, biolääketieteessä, ilmailu- ja sotilasteollisuudessa.
Fototerminen impulssipinsettijärjestelmä voi periä saumattomasti robotiikkaa makroskooppisessa maailmassa ja toteuttaa skenaarioita älykkäästä robottityöstä mikroskooppisessa maailmassa. Tiimi käytti metallista nanoarkkia yhdistettynä kuvantunnistukseen, syvään oppimiseen, polun suunnitteluun ja palauteohjaukseen maailman ensimmäisen autonomisen nanorobotin, jossa on puhdistustoiminto. Kun robotti tunnistaa valitun alueen puhtauden, se toistaa puhdistusjaksoa, kunnes se saavuttaa tyydyttävän puhtaustason.
Laserpysäytys (trapping) on tehokas työkalu objektien liikkeen manipuloimiseen nanomaailmassa, sillä se on voittanut fysiikan Nobelin palkinnot vuosina 1997 ja 2018 laajasta valikoimastaan sovelluksista ympäristöissä, joissa on ripustettuja aineita, kuten tyhjiöjä ja nesteitä, mutta se on edelleen haastavaa kiinteillä kosketuspinnoilla. Tutkijat käyttivät pulssivalolähdettä mikro- ja nanoobjektin lämmittämiseen, ja valopulssin absorboitunut energia muuttui välittömästi mekaaniseksi laajenemiseksi, mikä synnytti erittäin suuren hetkellisen kuormituksen kohteen sisällä, nimeltään Photothermal Shock (PS). Välitön iskuvaikutus tuottaa voiman, joka ylittää huomattavasti normaalin värähtelytilan, aivan kuten käärmeiden välitön syöksynopeus ylittää huomattavasti normaalin ryömimisnopeuden, joten se voi murtaa mikronanovastustilanteen ja toteuttaa liikkeen kiinteässä rajapinnassa. .
Kaavio impulssi-momentti-lauseesta, joka havainnollistaa visuaalista vertailua käärmeen syöksyn ja normaalin ryömimisen välillä.
Pysäytysominaisuus on lasermanipulaatiotekniikan ytimessä, koska se mahdollistaa hiukkasten liikkeen hallitsemisen pisteasennon avulla, mikä mahdollistaa mielivaltaisen liikkeen ohjauksen sen sijaan, että pysähtyisi vain ohjatun toiminnan puuttuessa. Kultaiset nanolangat 532 nm:n nanosekunnin Gauss-tyyppisen spot-toiminnan pulssissa siirtyvät pisteen sisäpuolelle, kunnes nanolangan keskusta ja pisteen keskikohta ovat linjassa pisteen keskustan kanssa, mikä on tyypillinen sieppausprosessi. . Teoreettisen analyysin avulla tutkijat löysivät fototermisen iskuvoiman fyysisen lähteen, jota kutsutaan fototermiseksi gradienttivoimaksi, koska ilmaisu sisältää lämpötilagradientin. Pistetta siirrettäessä fototermisen gradienttivoimajakauman tasapaino katkeaa ja nanolanka siirtyy takaisin kohti pisteen keskustaa ja prosessia toistamalla koko ajan nanolanka liikkuu aksiaalisesti pisteen mukana. Lisäksi pisteen keskelle vangitun nanolangan osalta lasertehon lisääminen aiheuttaa sen, että nanolangan päitä puristaa suurempi fototerminen gradienttivoima ja taipuu sivusuunnassa, mikä toteuttaa sivuttaisliikkeen. Tämä mahdollistaa nanolankojen mielivaltaisen liikkeen kaksiulotteisessa tasossa. Alla olevassa kuvassa näkyy, kuinka tiimi käyttää useita nanolankoja kiinalaisen merkin "冲" ja englanninkielisen sanan "SHOCK" muodostamiseen.
Fototermiset impulssipinsetit käsittelevät nanolankoja
Käyttämällä palladiumnanolevyjä alustana tutkijat rakensivat monimutkaisemman ja monipuolisemman nanorobotin, joka sai nimekseen HOUbot, koska se muistuttaa kiinalaista hevosenkenkärapua (kuva 4a ja video). Robotti pystyy liikkumaan vapaasti kuin auto ja suorittaa suuremman vapausasteen ja hienoja liikkeitä, kuten pään työntämistä, itsenäistä hännän heilautusta ja tönäystä. Robotti on varustettu puolijohde nanolangoilla, joita voidaan käyttää in situ kosteuden havaitsemiseen. Suhteellisen suuren pinta-alansa ansiosta robotti on erittäin kuormitettava, ja sen teoreettiset hyötykuormat ovat milligramman luokkaa (vastaa muurahaisen massaa). Ottamalla käyttöön olemassa olevan makromekaanisen suunnittelun lisäkomponenttien tai lastin varustamiseen, HOUbot voi toimia makrorobotin tavoin ja on maailman ensimmäinen nanorobotti, joka pystyy suorittamaan tiettyjä tehtäviä perinteisin mekaanisin keinoin.
Aiheeseen liittyvä kaavio
Valotermisten pinsettien keksintö on mahdollistanut lasermanipuloinnin murtautumisen rajapintojen vastusdilemman läpi, täydentäen valonkäsittelyn sovellusympäristöä ja auttanut laserit lopulta ymmärtämään kyvyn manipuloida esineitä mielivaltaisesti mikronanoympäristössä, joka on verrattavissa kolmeen maamaailmaan. meri ja ilma (tyhjiö/kaasu, nesteet ja kiinteät aineet). Fyysisesti painopiste on ohimenevässä termoelastisessa dynamiikassa ja tribologiassa, erityisesti tuhoamattomissa tutkimuksissa, jotka paljastavat edelleen ymmärrystä mekaanis-dynaamisista prosesseista mikroskooppisessa maailmassa. Tekniikkaa voidaan periaatteessa käyttää millä tahansa aallonpituusalueella ja minkä tahansa imeytyvän materiaalin kanssa. Lisäksi spatiaalisen valon modulaation ja usean robotin yhteistyön avulla voidaan toteuttaa autonomisten nanorobottien klustereita suorittamaan monimutkaisia tehtäviä, joita ei tällä hetkellä voida saavuttaa tavanomaisin keinoin.
