“光流”3D微纳制造可用多种材料 为开发微型机器人提供新路径
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2026-02-10 22:00:41
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科技日报北京2月1日电(记者刘霞)据新一期《自然》杂志刊发的研究,德国马克斯·普朗克智能系统研究所与新加坡国立大学科学家携手,开发出一种利用光流体效应进行3D微纳制造的新技术。该技术不再局限于传统的聚合物,而是可灵活使用金属、金属氧化物、碳材料乃至半导体等多种材料,实现了“万物皆可雕”,为制造微型机器人提供了新路径。

由二氧化硅纳米颗粒组装而成的牛角面包形三维微结构,呈现复杂曲面与悬空形态(扫描电子显微镜图像)。图片来源:德国马克斯·普朗克智能系统研究所

3D微纳制造能造出比人类发丝还细的精密结构,在医疗、机器人、微电子等领域具有广阔前景。目前主流技术是双光子聚合(2PP),可用于制作结构复杂的微型雕塑,如埃菲尔铁塔或泰姬陵模型。但这一方法长期受限于材料种类——几乎只能加工聚合物,严重制约了功能器件的发展。

最新研究有望彻底突破这一瓶颈。其核心创新在于,利用飞秒激光精准操控光流体效应,在液体中引导纳米或微米级颗粒进行3D自组装。当激光聚焦于悬浮粒子溶液中某一点时,会瞬间加热形成“热点”,引发局部热梯度,驱动周围流体产生定向流动——这种“光流”就像无形之手,将粒子推入预设的微模具中。

这种微模具如同一个微型“蛋糕模”,侧面设有小口。粒子随流而动,穿过缝隙,精准落入模腔,层层堆积成所需形状。模具可设计为立方体、球体,甚至牛角面包等复杂曲面结构,自由度极高。组装完成后,通过后处理去除聚合物模具,便留下一个完全由目标材料构成的独立微结构。

团队形象地表示,过去科学家们只有一种“建模黏土”,现在则拥有了一整套工具箱。

为验证技术潜力,团队成功制造出多种功能性微型装置。例如可在狭窄通道中按尺寸分离颗粒的微型过滤阀;由多种材料集成的微型机器人,它们既能被光驱动前行,也可在外加磁场下变换运动模式,展现出高度的多功能性。

所有结构均表现出优异的机械稳定性。尽管颗粒间无化学键连接,但依靠强大的范德华力,它们仍能牢固结合,实现自支撑。

团队表示,这项“光流组装”技术不仅克服了传统3D打印的材料限制,更打开了通往多功能微系统的大门。未来,它有望应用于开发智能药物递送、体内微型手术机器人、高密度微传感器等前沿领域。(科技日报 刘霞)

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