Πρόσφατα, η ομάδα του καθηγητή Gu Fuxing υπό την ηγεσία του ακαδημαϊκού Zhuang Songlin στη Σχολή Οπτοηλεκτρονικής του Πανεπιστημίου της Κίνας εφηύρε μια τεχνολογία λήψης με λέιζερ που βασίζεται στο φωτοθερμικό σοκ, που ονομάζεται Photothermal-Shock Tweezers, η οποία πραγματοποιεί τη σύλληψη και τον αυθαίρετο χειρισμό μικρο- και νανο-αντικειμένων στη διεπαφή στερεών και διερευνά τις νανορομποτικές εφαρμογές του. Αυτόνομα νανορομπότ με ισχυρή ώθηση υπό συνθήκες ξηρού στερεού επαφής με φωτοθερμικό σοκ" δημοσιεύτηκε στις 11 Νοεμβρίου 2012 και τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό "Autonomous Nanorobots with Powerful Thrust under Dry Solid-Contact Conditions by Photothermal Shock". Autonomous nanorobots με ισχυρή ώθηση υπό συνθήκες ξηρής επαφής στερεού από φωτοθερμικό σοκ» δημοσιεύτηκε στις 24 Νοεμβρίου στο Nature Communications. Οι Δρ. Gu Zhaoqi, Zhu Runlin και Shen Tianci ήταν οι συν-συγγραφείς και ο καθηγητής Gu Fuxing ήταν ο αντίστοιχος συγγραφέας, ενώ άλλοι συνεργάτες ήταν ο καθηγητής Liu Xu από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Hebei και ο καθηγητής Liu Jia από το Πανεπιστήμιο Auburn και ο Ακαδημαϊκός Ο Zhuang Songlin επέβλεψε την όλη έρευνα. Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας και της Σαγκάης. Η τεχνολογία αναμένεται να διερευνήσει πρωτοφανείς εφαρμογές σε διάφορους τομείς όπως η νανοβιομηχανία, η βιοϊατρική, η αεροδιαστημική και ο στρατιωτικός.
Το σύστημα λαβίδων φωτοθερμικής ώθησης μπορεί να κληρονομήσει απρόσκοπτα τη ρομποτική στον μακροσκοπικό κόσμο και να πραγματοποιήσει σενάρια ευφυούς ρομποτικής εργασίας στον μικροσκοπικό κόσμο. Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα μεταλλικό νανορομπότ, σε συνδυασμό με αναγνώριση εικόνας, βαθιά εκμάθηση, σχεδιασμό διαδρομής και έλεγχο ανατροφοδότησης για να υλοποιήσει το πρώτο αυτόνομο νανορομπότ στον κόσμο με λειτουργία καθαρισμού. Αναγνωρίζοντας την καθαριότητα μιας επιλεγμένης περιοχής, το ρομπότ θα επαναλάβει τον κύκλο καθαρισμού μέχρι να φτάσει σε ένα ικανοποιητικό επίπεδο καθαριότητας.
Η παγίδευση με λέιζερ (παγίδευση) θεωρείται ότι είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τον χειρισμό της κίνησης των αντικειμένων στον νανόκοσμο, έχοντας κερδίσει τα βραβεία Νόμπελ Φυσικής το 1997 και το 2018 για το ευρύ φάσμα των εφαρμογών του σε περιβάλλοντα με αιωρούμενα μέσα, όπως κενά και υγρά. αλλά παραμένει προκλητικό σε στερεές επιφάνειες επαφής. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια πηγή παλμικού φωτός για να θερμάνουν ένα μικρο- και νανο-αντικείμενο και η απορροφούμενη ενέργεια του παλμού φωτός μετατράπηκε στιγμιαία σε μηχανική διαστολή, δημιουργώντας ένα εξαιρετικά μεγάλο στιγμιαίο φορτίο μέσα στο αντικείμενο, που ονομάζεται Φωτοθερμικό Σοκ (PS). Το στιγμιαίο φαινόμενο κραδασμού παράγει μια δύναμη που υπερβαίνει κατά πολύ την κανονική λειτουργία δόνησης, όπως η στιγμιαία ταχύτητα εκτόξευσης των φιδιών που τρέφονται υπερβαίνει κατά πολύ την κανονική ταχύτητα ερπυσμού, έτσι μπορεί να σπάσει το πρόβλημα της αντίστασης μικρο-νανο και να πραγματοποιήσει την κίνηση στη στερεά διεπαφή .
Σχηματικό διάγραμμα του θεωρήματος ώθησης-ορμής, που απεικονίζει την οπτική σύγκριση μεταξύ της ρίψης ενός φιδιού και μιας κανονικής ανίχνευσης.
Η ιδιότητα παγίδευσης βρίσκεται στο επίκεντρο της τεχνολογίας χειρισμού λέιζερ, καθώς επιτρέπει τον έλεγχο της κίνησης του σωματιδίου από τη θέση του σημείου, επιτρέποντας τον αυθαίρετο έλεγχο της κίνησης, αντί να σταματά απλώς στην έλλειψη ελεγχόμενης ενεργοποίησης. Τα νανοσύρματα χρυσού στον παλμό 532 nm νανοδευτερόλεπτου της κηλίδας τύπου Gaussian, θα μετακινηθούν προς το εσωτερικό του σημείου, έως ότου το κέντρο του νανοσύρματος και το κέντρο του σημείου να ευθυγραμμιστούν με το κέντρο του σημείου, που είναι μια τυπική διαδικασία σύλληψης . Μέσω της θεωρητικής ανάλυσης, οι ερευνητές βρήκαν τη φυσική πηγή της κινητήριας δύναμης του φωτοθερμικού σοκ, η οποία ονομάζεται δύναμη φωτοθερμικής κλίσης επειδή η έκφραση περιλαμβάνει μια βαθμίδα θερμοκρασίας. Κατά τη μετακίνηση του σημείου, η ισορροπία της κατανομής της δύναμης της φωτοθερμικής βαθμίδωσης σπάει και το νανοσύρμα μετακινείται εκ νέου προς το κέντρο του σημείου και επαναλαμβάνοντας τη διαδικασία όλη την ώρα, το νανοσύρμα κινείται αξονικά σε όλη τη διαδρομή με το σημείο. Επιπλέον, για το νανοσύρμα που συλλαμβάνεται στο κέντρο του σημείου, η αύξηση της ισχύος του λέιζερ θα έχει ως αποτέλεσμα τα άκρα του νανοσύρματος να συμπιεστούν από μεγαλύτερη δύναμη φωτοθερμικής κλίσης και να λυγίσουν προς τα πλάγια, πραγματοποιώντας έτσι πλευρική κίνηση. Αυτό επιτρέπει την αυθαίρετη κίνηση των νανοσυρμάτων σε ένα δισδιάστατο επίπεδο. Το παρακάτω σχήμα δείχνει τη χρήση πολλαπλών νανοσυρμάτων από την ομάδα για να σχηματίσει τον κινεζικό χαρακτήρα "冲" και την αγγλική λέξη "SHOCK".
Τα τσιμπιδάκια φωτοθερμικής ώθησης χειρίζονται νανοσύρματα
Χρησιμοποιώντας νανοφύλλα παλλαδίου ως σασί, οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα πιο περίπλοκο και ευέλικτο νανορομπότ, που ονομάστηκε HOUbot λόγω της ομοιότητάς του με ένα κινέζικο πέταλο καβούρι (Εικόνα 4α και βίντεο). Το ρομπότ είναι σε θέση να κινείται ελεύθερα σαν ένα αυτοκίνητο και εκτελεί υψηλότερο βαθμό ελευθερίας και λεπτές κινήσεις όπως σπρώξιμο κεφαλιού, ανεξάρτητο κούνημα της ουράς και τρύπημα. Το ρομπότ είναι εξοπλισμένο με νανοσύρματα ημιαγωγών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για in situ ανίχνευση υγρασίας. Λόγω της σχετικά μεγάλης επιφάνειάς του, το ρομπότ είναι εξαιρετικά φορτίσιμο, με θεωρητικά ωφέλιμα φορτία της τάξης των χιλιοστόγραμμα (που ισοδυναμεί με τη μάζα ενός μυρμηγκιού). Υιοθετώντας έναν υπάρχοντα μακρο-μηχανικό σχεδιασμό για τον εξοπλισμό πρόσθετων ενσωματωμένων εξαρτημάτων ή φορτίου, το HOUbot μπορεί να λειτουργήσει σαν μακρορομπότ και είναι το πρώτο νανορομπότ στον κόσμο που μπορεί να εκτελέσει συγκεκριμένες εργασίες χρησιμοποιώντας παραδοσιακά μηχανικά μέσα.
Σχετικό σχηματικό
Η εφεύρεση των φωτοθερμικών λαβίδων επέτρεψε στον χειρισμό λέιζερ να ξεπεράσει το δίλημμα της αντίστασης της επιφάνειας, συμπληρώνοντας το περιβάλλον εφαρμογής του χειρισμού φωτός και επιτρέποντας στα λέιζερ να συνειδητοποιήσουν τελικά την ικανότητα να χειρίζονται αντικείμενα αυθαίρετα σε ένα μικρο-νανο περιβάλλον συγκρίσιμο με τους τρεις κόσμους της γης. θάλασσα και αέρας (κενό/αέριο, υγρά και στερεά). Φυσικά, η εστίαση είναι στην παροδική θερμοελαστική δυναμική και στην τριβολογία, ειδικά σε μη καταστροφικές μελέτες, οι οποίες αποκαλύπτουν περαιτέρω την κατανόηση των μηχανοδυναμικών διεργασιών στο μικροσκοπικό πεδίο. Η τεχνολογία μπορεί καταρχήν να χρησιμοποιηθεί σε οποιοδήποτε εύρος μήκους κύματος και με οποιοδήποτε απορροφήσιμο υλικό. Επιπλέον, μέσω της χωρικής διαμόρφωσης φωτός και της συνεργασίας πολλών ρομπότ, μπορούν να υλοποιηθούν συστάδες αυτόνομων νανορομπότ για την εκτέλεση σύνθετων εργασιών που επί του παρόντος δεν είναι εφικτές με συμβατικά μέσα.
