哈尔滨工业大学（深圳）王威、北京理工大学张帅龙、上海交通大学张何朋、多伦多大学Aaron R. Wheeler合作提出了利用光电镊技术操控微纳米马达运动的新策略，成功利用光电镊系统产生的时空光斑操控了微纳米马达的运动行为（图1）。相关成果以“Steering Micromotors via Reprogrammable Optoelectronic Paths”为题发表于ACS Nano（2023, 17, 6, 5894–5904），论文第一作者为哈尔滨工业大学（深圳）博士毕业生陈曦，目前已就职于成都理工大学。https://doi.org/10.1021/acsnano.2c128111966年电影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）中讲述了微纳机器进入人体中执行各种复杂手术的场景。随着科技发展的日新月异，科研人员试图将这看似遥不可及的梦想变为现实。近年来，人们成功开发了能够将环境中的能量转换为自身动能的微纳米马达，它又称胶体马达或游动微纳米机器人。由于其尺度小且自主运动的特性，微纳米马达在药物运输、靶向治疗、血栓清除、健康监测等生物医学领域具有巨大的应用前景，受到国内外学术界和产业界的广泛关注。为了提高微纳米马达在以上应用场景的工作效率，对微纳米马达的运动行为进行精准控制显得尤为重要。近年来，光电镊技术（又称光诱导介电泳技术-ODEP）在微纳操作研究领域受到人们的广泛关注，该技术主要利用光诱导电泳效应操控微纳物体。图2为光电镊技术的原理示意图，通常光电镊芯片包含两块ITO导电基板，底板ITO上镀有氢化非晶硅而成为光致导通层。当两个基板之间施加交流电压和光斑时，光照区域电导率较高，而非光照区域电导率较低，从而导致光斑附近产生非均匀电场，微纳物体在该非均匀电场下将受到介电泳力，因此人们可以通过移动光斑实现微纳操控。目前，光电镊技术已广泛应用于微纳组装、细胞捕获和运输、微纳机器人操控等领域。相比于其他微纳操作技术，光电镊技术具有可编程性、通用性和高通量等优势，因此该技术展现出强大的操作能力，已成为一种引人瞩目的微纳操作技术。为了开发一种高精度、可编程、可并行操控微纳米马达的策略，本文引入光电镊技术研究了微马达在光斑中的运动特性，并通过投射不同的静态和动态光斑对不同种类的微马达运动行为进行了控制。本文首先研究了电场驱动的Janus Pt-SiO2微马达在光电镊系统中的运动行为，作者发现Janus微马达总是倾向于沿着光斑边界运动（图3）。作者试图结合理论计算和数值模拟来解释这个有趣的现象。理论计算表明Janus Pt-SiO2的Clausius-Mossotti因子K的实部即Re(K)大于0，这意味着该微马达将会在非均匀电场下受到正介电泳力；而COMSOL数值模拟显示光斑边界处的电场强度最强。由此表明，Janus Pt-SiO2微马达趋边界性的原因是马达受到正介电泳力从而被吸引至电场强度最强的光斑边界处。▲图3 Janus Pt-SiO2微马达趋光斑边界的运动行为基于光斑对微马达的限域效应，作者利用不同形状的静态光斑成功控制了马达在空间中的运动轨迹；通过同时投射多个光斑实现了对多个马达进行并行控制；通过设计合理的光路径成功引导了马达穿越物理障碍。▲图4 静态光斑操控Janus Pt-SiO2微马达的运动轨迹随后，作者还利用动态光斑操控了马达的多种运动模式如向外螺旋形、向内螺旋形、定向螺旋形运动、直线运动。▲图5 动态光斑操控Janus Pt-SiO2微马达的运动模式最后，作者利用光电镊技术控制了自电泳Au-Pt双金属微马达的运动行为，证明了该技术对于操控微马达的广泛适用性。▲图6 光电镊技术操控Au-Pt双金属微马达的运动行为本文引入光电镊技术成功控制了微马达的运动行为。该技术利用光致介电泳效应将微马达限域于光斑边界处，从而让其沿着光斑边界进行自驱动。通过该捕获效应，本文成功利用静动态光斑操控了微马达的运动轨迹和运动模式。该工作表明光电镊技术有望成为一种灵活的、精准的、可编程的新策略来引导和操控微纳马达的运动行为。此外，该技术还对控制不同种类的马达具有普适性，这对于构建多工种复合微纳机器具有潜在的应用价值。陈曦，2023年6月毕业于哈尔滨工业大学（深圳）获博士学位，师从王威教授。博士学习期间于2021年10月-2022年10月在加拿大多伦多大学进行博士生联合培养项目，指导老师为Aaron R. Wheeler教授。2023年7月入职成都理工大学，主要研究方向为微纳米机器人个体与集群运动的机制理解和精准操控。迄今在Sci. Adv.、ACS Nano等国内外高水平期刊上发表学术论文20余篇。博士学习与工作期间多次参加国内外学术会议，并获中国化学会第21届“东方胶化”杯全国胶体与界面化学奖（二等奖）等荣誉。所撰写的博士学位论文2023年入选哈尔滨工业大学优秀博士学位论文提名论文。王威，2013年毕业于美国宾州州立大学（PSU）获化学博士学位。2014年至今就职于哈尔滨工业大学（深圳）材料学院任教授、博士生导师。王威课题组主要从事活性胶体、微纳米机器人的基础科学研究。迄今在Sci. Adv.、JACS、PRL、PNAS等国内外高水平期刊上共发表学术论文80余篇，参与出版学术著作3部。王威2014年入选深圳市地方级领军人才。2015年获韩国基础科学研究院青年研究员奖。现任中国微纳米技术学会微纳执行器与微系统分会、微纳机器人分会理事，在研与完成基金包括国自然青基、国自然面上、广东省杰青基金、深圳市基础项目等。张帅龙，2015年毕业于英国Strathclyde大学获博士学位，先后在英国Glasgow大学和加拿大Toronto大学从事博士后研究。现就职于北京理工大学，任教授、博士生导师，研究方向为光电镊技术、数字微流控技术、生物微机电系统、疾病检测与转化医学。迄今在 PNAS、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Chem. Soc. Rev.等高水平期刊共发表学术论文50余篇，参与撰写2部英文专著，作为项目负责人和主要参与者，主持、参与国家自然科学基金项目、科技部重点研发项目、加拿大自然科学和研究协会(NSERC) 以及英国工程和物理研究学会 (EPSRC) 资助的多个科研项目。张何朋，2004年毕业于纽约城市大学获物理学博士学位。2004-2010年于德克萨斯大学奥斯汀分校非线性动力学中心从事博士后研究工作。2010年加入上海交通大学自然科学研究院/物理与天文学院, 现任教授、博士生导师。入选国家自然科学基金优秀青年，教育部青年长江学者等荣誉项目。主要研究方向为生物和机器人的集体运动，研究方法以精确控制的实验为主，辅以理论和数值模型；在PNAS、PRL、Sci. Adv.等高水平学术期刊发表文章40余篇，应邀作多个国际学术会议邀请报告。Aaron R. Wheeler，加拿大多伦多大学教授，Lab on a Chip 主编，加拿大微流控生物分析Tier-1首席科学家，领衔开发了一系列新型微流控芯片，用于快速高通量的生化分析，包括单细胞筛选及多组学分析、癌症和感染疾病的标志物检测、化学反应实时监测、基因调控机制研究等，为医学诊断、生命科学研究和药物开发等领域提供了新技术和新方法。至今已在国际杂志上发表 SCI 论文 150 余篇，包括 Science、Nat. Mater.、Sci. Transl. Med.、Chem. Soc. Rev.、Lab Chip、Nat. Commun.、Adv. Mater、Angew等国际一流期刊。
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