双光子灰度光刻微纳加工技术全领域应用速递10

在现代光学和光子学领域，光的聚焦是几乎所有光学系统的基础，尤其在电信、医学和生物光子学等领域，远程和可重配置的光聚焦尤为重要。传统的光学透镜在实现这些要求时常常显得力不从心，而光纤则因其优异的光传输性能而脱颖而出。德国耴兹大学的Mohammadhossein Khosravi教授及其团队提出了一种新颖的远程聚焦控制技术，并发表于《Nature Communications》期刊上。他们利用3D纳米打印的相位光子晶体集成在多核单模光纤的末端，使得光束能够在特定位置上精确聚焦。这项创新方法超越了传统透镜的局限，采用计算设计的方法，展示了相位光子晶体在光学系统中的独特功能。

研究团队采用了Nanoscribe公司的光刻设备，通过双光子吸收进行激光直写。这种技术因其高分辨率和在光纤末端直接制造结构的能力，而成为实现复杂光束调制的理想选择。使用Nanoscribe的设备，不仅提高了打印精度，还实现了对不同核心同时激发和操控的灵活性。这项工作的成功标志着光子学领域中的一项重大突破，因为它首次在多核光纤中实现了通过纳米结构化光子晶体进行远程聚焦控制。研究小组设计了37个单模核心的光纤，并通过三维纳米打印在光纤末端集成相位光子晶体，形成了具有良好光学特性的光子设备。

这一设计不仅显著提升了光束的聚焦精度，还增强了其调节灵活性，能够在多个预定义的位置实现动态切换。通过计算机设计的相位衍射光栅，研究团队能够在不同的激发核心上精确聚焦光束，从而进一步提升了系统的性能和可调性。

传统光热材料在适用性和转换效率上具有局限性，生物界中的动物例如蝴蝶，演化出了能够高效调节体温的光学特性。这一特性不仅关乎其生存，也为我们在材料科学中的应用提供了灵感。因此，中国科学院沈阳自动化研究所的Jianchen Zheng博士及其所在团队利用研究自然界中的微结构，特别是蝴蝶翅膀的构造，从而攻克提升材料的光热转换能力，并于2023年在IEEE第23届国际纳米技术会议（IEEE-NANO 2023）上发表。该研究不仅探讨了仿生材料在光热性能上的潜力，也为微电子设备和智能制造领域的快速发展提供了新的解决方案。

在研究中，团队利用德国Nanoscribe公司开发的光刻设备的高分辨率优势，将改性温度敏感水凝胶（包括N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和聚N-异丙基丙烯酰胺（p-NIPAAM））加工成目标微结构。通过双光子聚合，研究人员能够成功制备出符合蝴蝶翅膀微结构特征的样本，进而分析其光热吸收性能。研究的核心在于采用双光子聚合（TPP）技术，实现以超高的空间和时间分辨率创建复杂微结构，克服了传统加工技术在精度上的限制。

展望未来，基于这项研究的成果，可以预见，仿生微结构将会在柔性电子、生物传感器和微型驱动器等领域展现出广泛的应用潜力。随着智能材料和微操控技术的不断进步，结合仿生设计的智能材料将在环保、医疗及可穿戴设备等众多领域发挥重要作用。

为了解决微型机器人在与物理环境交互时面临的挑战，卡内基梅伦大学的Sukjun Kim教授及Sarah Bergbreiter教授及团队探索了使用薄膜镍钛（NiTi）驱动的3D打印自适应微抓手的设计与制造，并发表在2023 IEEE国际机器人与自动化会议（ICRA）上。微型机器人系统需要高效且高功率密度的微执行器，以及有效的机制来将输入激活转化为所需的三维空间输出运动。为此，研究采用了Nanoscribe双光子聚合技术，该技术使得在微米尺度上直接制造复杂的三维特征成为可能，进而避免了传统微制造方法的许多限制。

研究中使用的Nanoscribe 光刻系统是3D打印微抓手的核心设施，使其能够实现精细的制造，且不需要后续的人工组装。这一创新的微制造过程显著提高了微型机器人系统的设计空间，展示了微抓手在执行复杂任务时的潜力。在制造过程中，设计了两种不同的微抓手类型：一种是刚性抓手，所有的四个指头刚性连接，类似于简单的单自由度抓手；另一种是自适应抓手，其四个指头能够独立运动并适应物体的形状，从而实现更好的抓握。微抓手的核心技术是薄膜NiTi微执行器。薄膜NiTi材料具有高功率密度，可在高带宽下运行，尤其适合小型机器人系统。研究中使用了双层NiTi执行器，每个执行器下方为0.93微米厚的NiTi薄膜，上方为15微米厚的3D打印聚合物层。NiTi执行器可以在70°C以上的温度下工作，这使得它们能够驱动微抓手达到225微米的指尖位移，并产生每个指尖30微牛的抓握力。研究证明，微抓手能够有效抓取和操作各种微型物体，包括形状多样的物品，如书籍、球体和螺栓等。

展望未来，这项研究为微型机器人技术的广泛应用开辟了新的方向。基于现有的薄膜NiTi微执行器，未来的研究将可能实现其他多功能集成，例如集成传感器与其他执行器，从而提升微型机器人的自主性。所有这些进展无疑将在微型机器人领域推动更为广泛的应用，包括医疗、环境监测、以及更复杂的微操控任务等。