研究人員製造出由光驅動的微型齒輪，為納米級機器創造了里程碑

研究人員已經製造出微型機器，配有可運轉的齒輪、齒條和小齒輪，完全依靠光來運行。

研究，最近發表在自然，標誌著工程師首次在微米尺度上組裝功能性“齒輪系”，利用光子而不是馬達或電線來驅動運動。

如果這項技術成熟，其未來將可能出人意料地實用。 光驅動微電機可以在郵票大小的診斷實驗室中泵送試劑，在超緊湊型相機中控製鏡子，或者打開和關閉藥物輸送植入物中的閥門——而且無需電池或電線。

在數據中心，大量的齒輪系統可以動態地重新配置光學電路，幫助在芯片之間傳輸激光信號。 在生物醫學研究中，微型光機械臂有朝一日可以精確地操縱單個細胞或蛋白質，完成目前只有笨重、昂貴的儀器才能完成的任務。

小齒輪，大抱負

這一成果由物理學家和工程師團隊使用標準半導體製造工具取得，展示了人們長期尋求的光子學和力學之間的橋樑：由光束驅動和控制的微型機器。

每台“元機器”（作者稱之為“元機器”）都採用類似於計算機芯片的光刻技術蝕刻在芯片上。 當受到光照時，這些圖案化的超表面會改變光子的方向，使其動量（儘管很小）轉化為扭矩，從而驅動齒輪旋轉。

這些裝置不僅僅是旋轉的圓盤。 它們包含由相互連接的部件組成的完整組件，例如傳遞力的齒輪組，以及將旋轉轉換為線性運動的齒條齒輪系統。 通過改變光的偏振或調整超表面的幾何形狀，研究人員可以改變方向或調節速度。

他們甚至將這些微型引擎與鏡子結合在一起，展示了機械運動如何根據需要改變光信號——這是對可重構光學電路的誘人一瞥。

然而，與許多令人眼花繚亂的突破一樣，這些成果也存在一些問題，使其更像是概念驗證，而非實際原型。 其轉換效率極其微小，約為光能的十萬億分之一。

換句話說，這些機器雖然運轉，但幾乎無法運轉。 它們產生的扭矩微乎其微，旋轉緩慢，而且運轉依賴於精確的照明和穩定的環境。 吸收光的熱效應會導致漂移或損壞，而機器本身也面臨著機械的永恆敵人：摩擦、磨損和污染。

從實驗室好奇心到未來工具

儘管如此，演示仍然意義重大。 幾十年來，研究人員一直試圖將移動機械部件與微米級的光學和電子系統集成，但卻陷入了工程死胡同。 電子微執行器需要佈線和接觸，而這些在如此尺寸下變得難以管理。 化學和磁驅動帶來了芯片製造的複雜性和不兼容性。

如果光能夠被利用來做有用的功，它就能提供一種非接觸式的替代方案。 通過將光學超表面直接嵌入齒輪結構，該團隊證明了光子確實可以作為動力源，儘管效率較低，但可以用於連接機械運動。

其潛在應用範圍廣泛，儘管前景渺茫。 在微流體領域，光驅動泵或閥門未來或許無需電極或管道即可移動分子。 在傳感和光學領域，微型鏡子和快門可以動態地控製或過濾光線，從而構建靈活的光子電路。

生物學家夢想著研製出無需電線或磁鐵即可在細胞內操作或操控微生物的微機械工具。 即使是基礎科學也能從中受益：這些微型齒輪陣列可以幫助研究人員研究表面力主導的尺度上的摩擦、粘附和磨損。

工作原理（縮略圖）

這種方法尤其吸引人的地方在於它與現有的芯片製造工藝兼容。 這些元機器採用半導體代工廠中已經很常規的光刻工藝，由常見材料製造而成。 這意味著，理論上，未來某一天，整個微型器件領域——光學、機械，甚至生物——都可以像添加一層新的電路一樣輕鬆地整合這些結構。

但要實現這一前景，需要解決一系列艱鉅的問題。 光是一種優雅的能源，但卻很弱；每個光子僅攜帶微弱的動量。 擴大輸出可能需要強度極高的激光器，否則會產生破壞性加熱。 齒輪的細小齒必須以原子級精度嚙合，這使得它們容易受到缺陷和灰塵的影響。 雖然研究表明它可以持續運行數小時，但在實際環境中，關於壽命、可重複性和控制的問題仍然存在。

目前，元機器最好被視為對可能性的精妙演示，而非現成的組件。 但在這個長期以來以納米為單位衡量進步的領域，即使是微小的進步也能帶來革命性的改變。 利用光束編織運動的微型工廠的願景仍然遙不可及——但突然之間，它不再是空想。