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新型光-電鑷原型系統(tǒng)研制成功

發(fā)布時(shí)間：2025/1/10 10:27:10編輯：Ma Liang
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傳統(tǒng)光鑷面臨著系統(tǒng)復(fù)雜、光損傷、操控作用力小、操控顆粒范圍窄、僅適用于透明物體等挑戰(zhàn)，嚴(yán)重阻礙其實(shí)際應(yīng)用。1月9日，記者從中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“深圳先進(jìn)院”）獲悉，該院醫(yī)工所智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)基于前期的研究基礎(chǔ)，自主研制出了新型光-電鑷原型系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材質(zhì)、相態(tài)和形狀物體的非接觸、跨尺度、普適、多功能操控。

新型光-電鑷原型系統(tǒng)。

探索光調(diào)控技術(shù)新突破

2016年，杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)開(kāi)始在光-電智能材料和靜電鑷領(lǐng)域開(kāi)展研究工作�；谇捌诠ぷ骰A(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出全新的光-電鑷。

該光-電鑷由兩個(gè)核心元素組成：近紅外激光光源和光-電轉(zhuǎn)換器。其中，在光電轉(zhuǎn)換器中，包含了研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的具有高效光熱釋電（光-電）性能的鎵-銦液態(tài)金屬顆粒摻雜的聚偏氟乙烯-三氟乙烯高分子薄膜，以及具有減阻、抗污染、消除導(dǎo)電介質(zhì)形成電荷屏蔽三重功能的潤(rùn)滑層，通過(guò)兩片聚甲基丙烯酸甲酯封裝集成。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出的新型光-電鑷展現(xiàn)出了卓越、穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換性能，僅需每平方毫米2毫瓦的光照強(qiáng)度下即可產(chǎn)生0.26伏的表面電勢(shì)，光照強(qiáng)度增加可增強(qiáng)光-電場(chǎng)，即便將表面介質(zhì)厚度改變范圍為1厘米至10厘米，電導(dǎo)率調(diào)整范圍為1.16毫西門(mén)子每厘米至91毫西門(mén)子每厘米，其光電性能仍能保持有效。

“傳統(tǒng)的光鑷需要的光強(qiáng)度較高，大約為每平方毫米一千萬(wàn)毫瓦，會(huì)存在光損傷的問(wèn)題，在微觀尺度的調(diào)控可能會(huì)灼傷甚至殺死細(xì)胞。”杜學(xué)敏介紹，“相比之下，新型光-電鑷所需要的光照強(qiáng)度很低，通過(guò)高性能的光-電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的介電泳力操控物體，以避免光強(qiáng)度對(duì)生物樣本的損傷�！�

研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的高效光-電轉(zhuǎn)換器。

打開(kāi)微觀調(diào)控大門(mén)

據(jù)了解，結(jié)合光場(chǎng)和電場(chǎng)的雙重優(yōu)勢(shì)，新型光-電鑷成功實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下的多功能操控，展現(xiàn)出了前所未有的靈活性和適應(yīng)性。

值得關(guān)注的是，相比傳統(tǒng)的光鑷，該光-電鑷所需光照強(qiáng)度低7個(gè)數(shù)量級(jí)，卻能產(chǎn)生操控力高7個(gè)數(shù)量級(jí)，成功實(shí)現(xiàn)了不同材質(zhì)（聚合物、無(wú)機(jī)物和金屬）、不同相態(tài)（氣泡、液體和固體）、不同形狀（球體、長(zhǎng)方體、螺旋線）和活魚(yú)卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。

杜學(xué)敏介紹，在應(yīng)用層面，他們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型光-電鑷不僅可以設(shè)計(jì)成便攜式的操控平臺(tái)用于宏觀尺寸物體操控，還可與顯微成像系統(tǒng)集成，研制成顯微光-電鑷操控系統(tǒng)。

圖為團(tuán)隊(duì)搭建的新型光-電鑷操控系統(tǒng)。

此外，光-電鑷還能實(shí)現(xiàn)對(duì)5微米至2.5毫米的固體顆粒、1皮升至10毫升液滴的跨尺度操控，具有強(qiáng)大的靈活性和適應(yīng)性。光-電鑷還可被應(yīng)用于水凝膠微型機(jī)器人組裝和任務(wù)執(zhí)行、不同材質(zhì)和尺寸顆粒的篩選、活細(xì)胞的組裝、單個(gè)細(xì)胞的操控以及細(xì)胞刺激響應(yīng)等微型機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

杜學(xué)敏表示，“光-電鑷克服了傳統(tǒng)光鑷的局限性，填補(bǔ)了傳統(tǒng)光鑷無(wú)法實(shí)現(xiàn)的宏觀和微觀物體操控之間的空白，為機(jī)器人、類(lèi)器官、再生醫(yī)學(xué)、神經(jīng)調(diào)控等重點(diǎn)前沿科技領(lǐng)域提供新的工具與技術(shù)�！�

（研究團(tuán)隊(duì)供圖）