用于高性能3D微操作的光纤夹持器

摘要

光镊能够实现精确的非接触式操控，但其作用力范围有限，且对目标物体的特性以及环境条件有严格要求^1,2,3,4。毫米级机械镊子虽然能提供更大的抓握力，但不适合进行精确操控^{5,6,7,8,9,10,11}。将微型夹持器直接集成在光纤上为精确微操作提供了一种新方法。然而，现有的光纤集成式镊子在狭窄空间内对微小物体（如单细胞）进行高性能操控时仍面临挑战，这主要是由于其结构较为简单、设计受限以及尺寸为毫米级^12,13,14。在此，我们介绍了一种三维光纤夹持器（OFG），它是通过两步法、双光子聚合技术制造而成的。该夹持器由刚性的光敏树脂微爪以及掺杂了银纳米粒子的柔软热响应水凝胶肌肉组成，其体积仅为38×38×61μm³。OFG的力质量比约为340μN/mg，比此前报道的光纤集成式镊子高出1到2个数量级。该夹持器能够操控不透明颗粒、不规则的微机械部件以及多种类型的单细胞。我们还展示了它在狭窄空间（小于300μm）内进行复杂微器件（轴承、轴和齿轮箱）的三维微组装以及仿生采样的应用潜力。这些结果表明，OFG是一种适用于三维微操作的紧凑型光纤末端操控工具，能够在光场捕获与毫米级机械镊子之间的中等作用力范围内实现可逆且可调节的抓握功能。