当光子与物质相互作用时，由于线动量和角动量的传递，分别产生了力和力矩。由此产生的加速度对于宏观物体来说很小，但对于质量和转动惯量较小的微观物体来说就很可观了，因此，利用光子反冲来驱动微观物体是非常吸引人的。然而，到目前为止，利用光来控制物体在二维或三维的3-6个自由度的运动仍然是一个未解决的挑战。
近日，来自德国维尔茨堡大学的Bert Hecht教授团队制造出直径约为人类红细胞三分之一的无人机。这些设备包含多达四个马达，每个马达都可以由特定波长和偏振的光单独控制。研究人员可以完全控制无人机的二维运动，允许设备向前、向后、向左、向右、顺时针和逆时针方向驱动。相关工作以“Light-driven microdrones”为题发表在4月21日的《Nature Nanotechnology》。并于近日，被《Nature》作为研究亮点进行了报道。值得一提的是，本文的第一作者兼共同通讯作者为中国学者Wu Xiaofei博士。
在这项工作中，研究者在水环境中展示了光驱动的微型无人机(尺寸约2 μm，质量约2 pg)，当使用两个重叠的830和980 nm波长的非聚焦光场时，这种微型无人机可以在所有三个独立自由度(两个平动和一个旋转)的二维空间中机动。为了独立于它们的方向来驱动微型无人机，研究者使用多达四个可单独寻址的手性等离子体纳米天线作为纳米马达，共振地将驱动光的圆偏振分量散射到明确的方向。这种微型无人机仅通过调整每个电机的光功率(每个波长的圆偏振分量的功率)来操纵。因此，驱动的概念类似于宏观多旋翼无人机。
图1. 微型无人机驱动的概念设置示意图。
研究者首先展示了完全控制二维(2D)运动中三个独立自由度的光驱动微型无人机：即，向前-向后、左右移动和顺时针(CW) -逆时针(CCW)旋转。图1a显示了两架微型无人机在两个波长为830和980 nm的非聚焦激光场的引导下沿二维任意轨迹飞行的示意图。这种微型无人机包含两个或四个等离子体纳米马达，它们集成在一个刚性的透明机身中，并围绕机身中心对称排列。
图2. 等离子体纳米马达工作原理(仿真)。
图4. 制备结构的扫描电子(a-e)和光学(f)显微图。
制作微型无人机的结构如图4所示。简单地说，第一步，金纳米电机是在包覆铟锡氧化物(ITO)的衬底上的氢倍半硅氧烷(HSQ)层上，通过高效的外轮廓铣削和剥落金片的方法，采用聚焦氦离子束铣削单晶金片的方法制备的(图4a-c)。由于高质量的金材料和氦离子束的高分辨率，所得到的结构显示出精确和一致的几何形状，这确保了实验和模拟之间的定量一致性。在下一步中，创建透明的微型无人机主体(由HSQ制成)(图4d,e)。封装纳米电机的HSQ机身具有非常良好的光学和机械性能，并保护电机免受污染和变形。最后，微型无人机被转移到一个水电池中进行驱动测量(图4f)。
图5. 双马达微型无人机的驱动实验。
视频. 双马达微型无人机的驱动
图6. 四电机微型无人机的驱动实验。
视频. 四马达微型无人机的驱动
尽管它们的尺寸很小(图4f，直径为人类红细胞的三分之一)，但微型无人机仍然显示出先进的能力。二电机和四电机微无人机的驱动实验结果分别如图5和图6所示。研究发现，对于双电机(分别在图5a、c中实现旋转和前后平移)和四电机微型无人机(分别在图6a、b、c中实现旋转、前后平移和左右平移)，这表示之前所描述的控制基本自由度都得到了很好的实现。
小结：
研究者通过实验证明了光驱动的微型无人机。这些微型机器人设备包含多达四个等离子体纳米天线，作为基于定向光散射(即光子反冲)的推力发动机。纳米马达可以通过两种波长的非聚焦光场的不同圆偏振分量来单独和直接地解决。操纵是通过简单地调整针对每个电机的光场组件的各自功率来实现的。到目前为止，微型无人机可以在二维的所有三个自由度上操纵，但这个概念可以扩展到三维，从而控制所有六个自由度。在所有独立自由度的转向将允许稳定的位置和方向，以及通过自动反馈控制的微型无人机的运动。由于其独特的特性，光驱动的微型无人机可能为许多有趣的应用提供一个新的实验平台。作者认为，这些无人机可以用于运输和释放微观物体，以及纳米和中尺度物体的局部探测和感知。他们表示，下一步是实现对设备垂直运动的控制。
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