Neseniai profesoriaus Gu Fuxingo grupė, vadovaujama akademiko Zhuang Songlin iš Kinijos universiteto Optoelektronikos mokyklos, išrado lazerio fiksavimo technologiją, pagrįstą fototerminio smūgio efektu, vadinamą Photothermal-Shock Tweezers, kuri realizuoja fiksavimą ir savavališką manipuliavimą. mikro- ir nanoobjektus kietųjų kūnų sąsajoje ir tiria jo nanorobotikos taikymą. 2012 m. lapkričio 11 d. buvo paskelbti autonominiai nanorobotai su galinga trauka sauso kontaktinio kietojo kontakto sąlygomis fototerminiu šoku“, o rezultatai paskelbti žurnale „Autonomous Nanorobots with Powerful Thrust under Dry Solid-Contact Conditions by Photothermal Shock“. Autonominiai nanorobotai su galinga trauka sauso kietojo kontakto sąlygomis fototerminiu šoku“ buvo paskelbtas lapkričio 24 d. Nature Communications. Gu Zhaoqi, Zhu Runlin ir Shen Tianci buvo bendraautoriai, o prof. Gu Fuxingas buvo atitinkamas autorius, o kiti bendradarbiai buvo prof. Liu Xu iš Hebei technologijos universiteto ir prof. Liu Jia iš Auburn universiteto ir akademikas Zhuang Songlin prižiūrėjo visą tyrimą. Tyrimą palaikė Kinijos ir Šanchajaus nacionalinis gamtos mokslų fondas. Tikimasi, kad ši technologija ištirs precedento neturinčius pritaikymus įvairiose srityse, tokiose kaip nanogamyba, biomedicina, aviacija ir karinė pramonė.
Fototerminių impulsų pincetų sistema gali sklandžiai paveldėti robotiką makroskopiniame pasaulyje ir įgyvendinti protingo roboto darbo scenarijus mikroskopiniame pasaulyje. Komanda naudojo metalinį nanoskopą kartu su vaizdo atpažinimu, giliu mokymusi, kelio planavimu ir grįžtamojo ryšio valdymu, kad sukurtų pirmąjį pasaulyje autonominį nanorobotą su valymo funkcija. Atpažindamas pasirinktos zonos švarą, robotas kartos valymo ciklą, kol pasieks patenkinamą švaros lygį.
Lazerinis gaudymas (gaudymas) suprantamas kaip galingas įrankis manipuliuoti objektų judėjimu nanopasaulyje, pelnęs 1997 ir 2018 m. Nobelio fizikos premijas už platų pritaikymo spektrą aplinkoje, kurioje yra pakabinamos terpės, pvz., vakuumai ir skysčiai, tačiau tai išlieka sudėtinga ant tvirtų kontaktinių paviršių. Tyrėjai panaudojo impulsinį šviesos šaltinį mikro- ir nanoobjektui šildyti, o sugerta šviesos impulso energija akimirksniu buvo paversta mechaniniu plėtimu, sukeldama itin didelę momentinę apkrovą objekto viduje, vadinamą fototerminiu šoku (PS). Momentinis smūgio efektas sukuria jėgą, kuri gerokai viršija įprastą vibracijos režimą, kaip ir gyvačių, maitinančių gyvatės, momentinis įstūmimo greitis gerokai viršija įprastą šliaužiojimo greitį, todėl gali įveikti mikronano atsparumo keblią padėtį ir suvokti judėjimą kietoje sąsajoje. .
Scheminė impulso-momento teoremos diagrama, iliustruojanti gyvatės įstūmimo ir įprasto šliaužio palyginimą.
Sugavimo savybė yra manipuliavimo lazeriu technologijos esmė, nes ji leidžia valdyti dalelių judėjimą pagal taškinę padėtį, o tai leidžia savavališkai valdyti judesį, o ne tik sustoti, kai nėra kontroliuojamo paleidimo. Gauso tipo taško veikimo 532 nm nanosekundžių impulso auksiniai nanolaideliai judės į dėmės vidų, kol nanolaidelio centras ir dėmės centras susilydys su dėmės centru, o tai yra tipiškas gaudymo procesas. . Atlikdami teorinę analizę, mokslininkai nustatė fizinį fototerminio smūgio varomosios jėgos šaltinį, kuris vadinamas fototerminio gradiento jėga, nes išraiška apima temperatūros gradientą. Perkeliant tašką, fototerminio gradiento jėgos pasiskirstymo pusiausvyra sutrinka, o nanolaidelis vėl juda link dėmės centro, o visą laiką kartojant procesą, nanolaidelis juda ašine kryptimi iki pat taško. Be to, nanolaidelio, užfiksuoto taško centre, padidinus lazerio galią, nanolaidų galai bus suspausti dėl didesnės fototerminio gradiento jėgos ir sulenkti į šoną, taip įgyvendinant šoninį judėjimą. Tai įgalina savavališką nanolaidų judėjimą dvimatėje plokštumoje. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta, kaip komanda naudoja kelis nanolaidelius, kad sudarytų kinų rašmenį „冲“ ir anglišką žodį „SHOCK“.
Fototerminio impulso pincetai manipuliuoja nanolaidais
Naudodami paladžio nanoskopus kaip važiuoklę, mokslininkai sukūrė sudėtingesnį ir universalesnį nanorobotą, pavadintą HOUbot, nes jis panašus į kininį pasagos krabą (4a pav. ir vaizdo įrašas). Robotas gali laisvai judėti kaip automobilis ir atlieka didesnį laisvės laipsnį bei smulkius judesius, tokius kaip galvos stūmimas, savarankiškas uodegos siūbavimas ir badymas. Robotas turi puslaidininkinius nanolaidelius, kurie gali būti naudojami in situ drėgmės jutimui. Dėl gana didelio paviršiaus robotas yra labai apkraunamas, jo teorinės naudingosios apkrovos yra miligramų dydžio (atitinka skruzdėlės masę). Pritaikius esamą makromechaninę konstrukciją, skirtą papildomiems borto komponentams arba kroviniams aprūpinti, HOUbot gali veikti kaip makrorobotas ir yra pirmasis pasaulyje nanorobotas, galintis atlikti konkrečias užduotis naudojant tradicines mechanines priemones.
Susijusi schema
Fototerminių pincetų išradimas leido manipuliuoti lazeriu įveikti sąsajos pasipriešinimo dilemą, papildydama šviesos manipuliavimo taikymo aplinką ir leido lazeriams pagaliau suvokti galimybę savavališkai manipuliuoti objektais mikronano aplinkoje, panašioje į tris žemės pasaulius. jūra ir oras (vakuumas / dujos, skysčiai ir kietos medžiagos). Fiziškai dėmesys sutelkiamas į trumpalaikę termoelastinę dinamiką ir tribologiją, ypač neardomuosius tyrimus, kurie dar labiau atskleidžia supratimą apie mechaninius-dinaminius procesus mikroskopinėje srityje. Ši technologija iš esmės gali būti naudojama bet kokiame bangos ilgio diapazone ir su bet kokia sugeriančia medžiaga. Be to, naudojant erdvinę šviesos moduliaciją ir kelių robotų bendradarbiavimą, autonominių nanorobotų grupes galima realizuoti, kad būtų galima atlikti sudėtingas užduotis, kurių šiuo metu neįmanoma pasiekti įprastomis priemonėmis.
