足球365比分_365体育投注-直播*官网

在微观世界中，如何让微米级机器实现复杂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，难以在复杂微环境中执行多任务操作。近日，足球365比分_365体育投注-直播*官网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《Advanced Materials》（IF="27.4）发表研究成果，首次实现光驱动多组件微机器系统的三维跨平面运动传递，为微流控、靶向给药等领域带来全新可能，该论文被选作期刊封面。足球365比分_365体育投注-直播*官网理工大学为第一完成单位，张帅龙教授与李家方教授为通讯作者，集成电路与电子学院博士生李恭为论文第一作者。该工作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教授的指导。

论文入选Advanced Materials杂志封面

图1. 构建可在三维空间中运行的多组件微机器系统。

光电镊（OET）技术革新：研究团队利用可编程光图案控制光电镊（OET）系统，通过电荷排斥效应和介电泳悬浮力，成功实现了微齿轮的精准翻转、悬浮和三维组装。该工作所使用的厚度仅30微米的微齿轮更容易进行翻转，翻转角速度达1.2弧度/秒，可实现微齿轮工作平面的灵活切换。这一技术突破使得微机器能够在三维空间内自由运动，不再受限于传统二维平面的束缚。

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像。B) 电压关闭时平躺的微齿轮（左），电压开启后通过圆形光图案推动翻转至直立状态。C) 直立微齿轮被空心矩形光图案推动并在垂直平面滚动。D) 30 μm和60 μm厚微齿轮在XY平面的相对电场分布模拟。E) 30 μm和60 μm厚微齿轮在XZ平面的相对电场分布模拟。F) 不同位置下微齿轮的介电泳翻转扭矩计算结果。G) 不同位置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为了构建稳定的三维微齿轮系统，团队采用双光子聚合（2PP）激光加工技术，制造了微型支撑结构，使直立齿轮能够稳定旋转。实验中，水平旋转的齿轮通过齿轮啮合成功驱动了直立齿轮，实现了跨平面运动传递，这一突破为未来搭建复杂三维传动模块提供了重要基础。

图3. 基于OET的微齿轮系统组装与驱动A) 2PP制备的机械支撑结构SEM图像。B)机械支撑的俯视显微镜图像。C) 直立微齿轮与支撑结构的组装过程示意图及实验图像。D) 组装后微齿轮与支撑的互连结构。E) 三维跨平面微齿轮组的运行示意图及实验图像。

揭秘“电子润滑”机制：研究团队发现，微齿轮表面的电荷会产生高达2511.8皮牛的排斥力，有效减少了齿轮间的摩擦，类似于宏观机械系统中的润滑剂。此外，介电泳力使微齿轮悬浮在基底上方约5.8微米，进一步降低了摩擦阻力。这种“电子润滑+悬浮轴承”的机制，使得微齿轮系统能够高效运转，为未来微机械设计提供了新思路。

图4. 微齿轮的排斥机制。A) 二维齿轮组表面电荷分布的模拟。B) 光图案促使两齿轮物理啮合的显微镜图像。C) 关闭电压后齿轮运动无明显变化的显微镜图像。D) 关闭光图案后齿轮因电压排斥分离的显微镜图像。E) 不同电压下齿轮间距随时间的变化。F) 不同电压下齿轮最终间距的测量。

仿生设计，灵感来自宏观世界：该研究的灵感来源于宏观齿轮系统，例如汽车变速箱中的锥齿轮组。团队在微观尺度上复现了类似的机械传动原理，证明了宏观机械工程经验在微观世界仍然适用。这一发现为未来设计更复杂的微机械系统提供了重要参考。

这项技术的突破，将在多个领域带来深远影响：

生物医学：可构建微型手术机器人，在血管内进行三维操作，提高精准度。

靶向给药：多组件协同运输药物，穿越复杂生物屏障，提高治疗效果。

微机电系统（MEMS）：开发新型三维微传感器和执行器，推动微型机器人技术的发展。

研究团队特别感谢足球365比分_365体育投注-直播*官网理工大学分析测试中心给予的支持与帮助。该交叉学科研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、足球365比分_365体育投注-直播*官网市自然科学基金、重庆市自然科学基金等项目的支持。

文章信息（*为通讯作者）：

Gong Li, Bingrui Xu, Xiaopu Wang, Jiangfan Yu, Yifan Zhang, Rongxin Fu, Fan Yang, Hongcheng Gu, Yuchen Huang, Yujie Chen, Yanfeng Zhang, Zhuoran Wang, Guozhen Shen, Yeliang Wang, HuikaiXie, Aaron R. Wheeler, Jiafang Li*, Shuailong Zhang*, “Crossing the Dimensional Divide with Optoelectronic Tweezers: Multicomponent Light-Driven Micromachines with Motion Transfer in Three Dimensions”, Advanced Materials, 2025, 37, 2417742.

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202417742

附作者简介：

李恭，足球365比分_365体育投注-直播*官网理工大学集成电路与电子学院博士生，研究方向为光电镊技术、光驱动微机械系统、光电镊控制算法等，目前已发表包括Advanced Materials、Microsystems & Nanoengineering、Nano Letters在内的多篇高水平论文。

张帅龙，足球365比分_365体育投注-直播*官网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，集成声光电微纳系统教育部工程研究中心副主任。主要从事生物微操作技术、光电镊技术、微流控技术、生物芯片与传感技术、微全分析系统研究。

李家方，足球365比分_365体育投注-直播*官网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。主要从事表面等离激元及光子晶体结构中光和物质的相互作用研究，并致力于发展纳米剪纸、飞秒激光直写等三维微纳加工技术与应用。