史上最小的片上马达：基于超构表面的光驱动微型马达
来源：MEMS
发布时间：2025-09-28
由入射光驱动的微型马达有望在多个领域产生重大的影响，包括微机械和新型力传感器的设计。近期，对此类微型马达实际应用的研究发现，其可用于控制患者肠道内药物的局部释放，并利用其既能产生运动又能产生荧光的特性，从而实现多重功能。
哥德堡大学（University of Gothenburg）的一个研究项目利用光学超构表面（metasurfaces）的特性，制造出微米尺度的光驱动齿轮机构，为“史上最小的片上马达”铺平了道路。相关研究成果发表在Nature Communications期刊上，将为微米级和纳米级运动控制系统开辟新的可能性。
基于超构表面的光驱动微型马达（a）及其组件制造过程（b～e），入射光与微型马达的相互作用（f～h）
研究人员在论文中指出：“人们已经探索了各种驱动单个微型马达的工作机制，但将微型马达整合到功能性的微型齿轮机构中仍然是一项重大的挑战。基于光驱动的方法受材料特性的限制较小，但需要聚焦光束，这限制了其大规模操控的潜力。目前仍缺乏一种能够克服所有局限性且可扩展的微型齿轮机构方案。”
哥德堡大学的解决方案采用光学超构表面构建了在均匀照明下工作的微型齿轮机构，为微米和纳米级机械系统中功能器件的精确控制和运动提供了一个更加灵活的平台。哥德堡大学软物质实验室Gan Wang评论道：“这是一种从根本上重新思考微观尺度力学的新方式。”
基于超构表面的光驱动微型马达，所有齿轮均采用硅基工艺直接在芯片上制造而成，每个齿轮的直径约为16微米。
该微型齿轮机构的超构表面由单元结构阵列构成，每个单元由两块不对称的硅块组成，中间由50纳米的亚波长间隙分隔，旨在与1064纳米波长的平面入射光相互作用。超构表面下方是一个二氧化硅支撑环，通过一个带帽的支柱固定，使得超构转子（metarotor）能够自由旋转。
入射光照射在超构表面上时，微型齿轮便开始旋转，通过激光的强度来控制旋转速度。改变入射光的偏振可以改变齿轮的转向。Gan Wang说道：“我们构建了一套微型齿轮传动系统，其中一个光驱动齿轮能够带动整个系统运动。这些齿轮还可以将旋转转化为直线运动，并实现周期性运动，如果用于控制微镜则可以偏转光线。”
生物光学和医学领域有望受益于这种改进的光驱动微型马达，包括针对细菌和细胞的操控。1064纳米波长的激光可以最大限度地减少对生物样本的潜在损害，如果能够选择性地将光引导至驱动齿轮，那么就可以在不将生物材料直接暴露于光源的情况下，对被动结构进行机械驱动。
由于微型齿轮可以小到16到20微米，而人类细胞大小亦在这一范围内，Gan Wang认为医学应用已近在眼前。
“我们可以将这种新型微型马达用作人体内的泵，例如调节各种流量。”Gan Wang表示，“我还在研究微型马达如何像阀门一样开启和关闭。通过用光取代笨重的联轴器，我们最终可以突破尺寸的限制。”
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