光驱动微型齿轮问世，纳米级机器研究取得突破性进展

研究人员成功开发出一种由光驱动的微型机器，配备了可运转的齿轮、齿条和小齿轮。这些装置完全依靠光来运行，为纳米级机器领域树立了新的里程碑。

这项研究最近发表在自然杂志上，标志着工程师首次在微米尺度上组装功能性“齿轮系”，并利用光子而非传统的马达或电线来驱动运动。

如果这项技术能够进一步成熟，其潜在应用将极其广泛且实用。例如，光驱动微电机可以在邮票大小的诊断实验室中泵送试剂，在超紧凑型相机中控制镜子，或者打开和关闭药物输送植入物中的阀门——所有这些操作都无需依赖电池或电线。

在数据中心，大规模的齿轮系统可以动态地重新配置光学电路，帮助在芯片之间高效传输激光信号。而在生物医学研究中，微型光机械臂有朝一日可能精确操纵单个细胞或蛋白质，完成目前只有昂贵笨重仪器才能实现的任务。

小齿轮，大抱负

这一成果由物理学家和工程师团队使用标准半导体制造工具取得，展示了光子学与力学之间长期寻求的桥梁：通过光束驱动和控制的微型机器。

每台“元机器”（作者称之为“元机器”）采用类似于计算机芯片的光刻技术蚀刻在芯片上。当受到光照时，这些图案化的超表面会改变光子的方向，将其动量（尽管很小）转化为扭矩，从而驱动齿轮旋转。

这些装置不仅仅是简单的旋转圆盘，而是包含完整的组件，例如传递力的齿轮组以及将旋转转换为线性运动的齿条齿轮系统。通过改变光的偏振或调整超表面的几何形状，研究人员可以灵活改变方向或调节速度。

研究人员还将这些微型引擎与镜子结合，展示了机械运动如何根据需要改变光信号——这为可重构光学电路提供了诱人的前景。

然而，与许多令人惊叹的突破一样，这些成果也存在一些限制，使其更像是概念验证，而非实际原型。其能量转换效率极低，仅为光能的十万亿分之一。

换句话说，虽然这些机器能够运转，但表现十分有限。它们产生的扭矩微乎其微，旋转缓慢，并且对精确照明和稳定环境高度依赖。此外，吸收光的热效应可能导致漂移或损坏，而摩擦、磨损和污染等机械问题仍然是不可避免的挑战。

从实验室好奇心到未来工具

尽管如此，这一演示仍然具有重要意义。几十年来，研究人员试图将移动机械部件与微米级的光学和电子系统集成，但始终面临工程难题。电子微执行器需要布线和接触，而这些在微米尺度下变得难以管理；化学和磁驱动则带来了芯片制造的复杂性和不兼容性。

如果光能够被有效利用来完成有用的工作，它将提供一种非接触式的替代方案。通过将光学超表面直接嵌入齿轮结构，该团队证明了光子确实可以作为动力源，尽管效率较低，但仍可用于连接机械运动。

其潜在应用范围广泛，尽管目前仍面临诸多挑战。在微流体领域，光驱动泵或阀门未来或许无需电极或管道即可移动分子。在传感和光学领域，微型镜子和快门可以动态控制或过滤光线，从而构建灵活的光子电路。

生物学家期待着无需电线或磁铁即可在细胞内操作微生物的微机械工具。即使是基础科学也能从中受益：这些微型齿轮阵列可以帮助研究人员研究表面力主导的尺度上的摩擦、粘附和磨损。

工作原理（缩略图）

这种方法尤其吸引人之处在于它与现有芯片制造工艺的高度兼容性。这些元机器采用半导体代工厂中已广泛应用的光刻工艺，由常见材料制成。这意味着，理论上，未来某一天，整个微型器件领域——包括光学、机械甚至生物——都可以像添加一层新电路一样轻松整合这些结构。

然而，要实现这一愿景，仍需克服一系列艰巨的挑战。光作为一种能源虽然优雅，但其动量非常微弱；每个光子仅携带少量动量。扩大输出可能需要高强度激光器，但这又可能导致破坏性加热。齿轮的细小齿必须以原子级精度啮合，因此极易受到缺陷和灰尘的影响。尽管研究表明它可以持续运行数小时，但在实际环境中，关于寿命、可重复性和控制的问题仍然悬而未决。

目前，元机器最好被视为可能性的精妙演示，而非现成的组件。但在这个长期以来以纳米为单位衡量进步的领域，即使是微小的进步也能带来革命性的改变。利用光束编织运动的微型工厂的愿景虽然依然遥不可及，但它不再是空想。