在微观国际中，怎么让微米级机器完结杂乱的三维运动一直是科学界的难题。传统微机器受限于二维平面运动，难以在杂乱微环境中履行多任务操作。近来，北京理工大学集成电路与电子学院张帅龙教授团队联合多所高校在国际尖端杂志Advanced Materials（IF=27.4）宣布打破性效果，初次完结光驱动多组件微机器体系的三维跨平面运动传递，为微流控、靶向给药等范畴带来全新或许，该论文被选作期刊封面。北京理工大学为榜首完结单位，张帅龙教授与李家方教授（北京理工大学物理学院）为通讯作者，集成电路与电子学院博士生李恭为论文榜首作者。该作业得到了集成电路与电子学院沈国震教授、王业亮教授、谢会开教授以及多伦多大学Aaron R. Wheeler教授的辅导。
光电镊（OET）技能革新：研讨团队运用可编程光图画操控光电镊（OET）体系，经过电荷排挤效应和介电泳悬浮力，成功完结了微齿轮的精准翻转、悬浮和三维拼装。该作业所运用的厚度仅30微米的微齿轮更简单进行翻转，翻转角速度达1.2弧度/秒，可完结微齿轮作业平面的灵敏切换。这一技能打破使得微机器可以在三维空间内自在运动，不再受限于传统二维平面的捆绑。
图2. 微齿轮的翻转行为A) 微齿轮在水平面旋转的示意图及显微镜图画。B) 电压封闭时平躺的微齿轮（左），电压敞开后经过圆形光图画推进翻转至直立状况。C) 直立微齿轮被空心矩形光图画推进并在笔直平面翻滚。D) 30 μm和60 μm厚微齿轮在XY平面的相对电场散布模仿。E) 30 μm和60 μm厚微齿轮在XZ平面的相对电场散布模仿。F) 不同方位下微齿轮的介电泳翻转扭矩计算结果。G) 不同方位下微齿轮的翻转角加速度计算结果。
跨维度运动传递：从2D到3D为了构建安稳的三维微齿轮体系，团队选用双光子聚合（2PP）激光加工技能，制作了微型支撑结构，使直立齿轮可以安稳旋转。试验中，水平旋转的齿轮经过齿轮啮合成功驱动了直立齿轮，完结了跨平面运动传递，这一打破为未来建立杂乱三维传动模块供给了重要根底。
图3. 根据OET的微齿轮体系拼装与驱动A) 2PP制备的机械支撑结构SEM图画。B)机械支撑的仰望显微镜图画。C) 直立微齿轮与支撑结构的拼装进程示意图及试验图画。D) 拼装后微齿轮与支撑的互连结构。E) 三维跨平面微齿轮组的工作示意图及试验图画。
揭秘“电子光滑”机制：研讨团队发现，微齿轮外表的电荷会发生高达2511.8皮牛的排挤力，有实际效果的减少了齿轮间的冲突，相似于微观机械体系中的光滑剂。此外，介电泳力使微齿轮悬浮在基底上方约5.8微米，逐渐降低了冲突阻力。这种“电子光滑+悬浮轴承”的机制，使得微齿轮体系可以高效工作，为未来微机械规划供给了新思路。
图4. 微齿轮的排挤机制。A) 二维齿轮组外表电荷散布的模仿。B) 光图画促进两齿轮物理啮合的显微镜图画。C) 封闭电压后齿轮运动无明显改变的显微镜图画。D) 封闭光图画后齿轮因电压排挤别离的显微镜图画。E) 不同电压下齿轮距离随时刻的改变。F) 不同电压下齿轮终究距离的丈量。
仿生规划，创意来自微观国际：该研讨的创意来源于微观齿轮体系，例如轿车变速箱中的锥齿轮组。团队在微观尺度上复现了相似的物理运动原理，证明了微观机械工程经历在微观国际依然适用。这一发现为未来规划更杂乱的微机械体系供给了重要参阅。
微机电体系（MEMS）：开发新式三维微传感器和履行器，推进微型机器人技能的开展。
研讨团队特别感谢北京理工大学剖析测试中心给予的支撑与协助。该交叉学科研讨作业得到了国家自然科学基金、国家重点研制方案、北京市自然科学基金、重庆市自然科学基金等项目的支撑。
李恭，北京理工大学集成电路与电子学院博士生，研讨方向为光电镊技能、光驱动微机械体系、光电镊操控算法等，现在已宣布包含Advanced Materials、Microsystems & Nanoengineering、Nano Letters在内的多篇高水平论文。
张帅龙，北京理工大学集成电路与电子学院教授、博士生导师（谢会开教授团队），国家级青年人才，集成声光电微纳体系教育部工程研讨中心副主任。主要是做生物微操作技能、光电镊技能、微流控技能、生物芯片与传感技能、微全剖析体系研讨。课题组网站：
李家方，北京理工大学光电学院党委书记，物理学院特聘教授、博士生导师，国家级青年人才。主要是做外表等离激元及光子晶体结构中光和物质的相互作用研讨，并致力于开展纳米剪纸、飞秒激光直写等三维微纳加工技能与使用。
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