微米尺寸的光驱动齿轮

近日，瑞典哥德堡大学研究人员成功制造出微米尺度的光驱动齿轮，为史上最小的片上电机铺平道路，其尺寸可置于一根发丝之内。相关论文发表在国际学术期刊《自然－通讯》上，其中作者为Gan Wang（哥德堡大学物理系）、Marcel Rey（哥德堡大学物理系）、Antonio Ciarlo（哥德堡大学物理系）、Mahdi Shanei（查尔姆斯理工大学物理系）、Kunli Xiong（哥德堡大学物理系）、Giuseppe Pesce（哥德堡大学物理系）、Mikael Käll（查尔姆斯理工大学物理系），通讯作者Giovanni Volpe（哥德堡大学物理系）。

齿轮无处不在，从钟表、汽车到机器人与风力涡轮机皆有应用。机械机器的微型化对于推进纳米技术和减小器件尺寸至关重要。三十多年来，由于在该尺度下构建驱动和耦合系统的复杂性，传统的齿轮和微型电机小型化努力一直面临约0.1毫米的限制。

而研究团队突破了这一瓶颈：他们放弃传统机械传动结构，改用激光直接驱动齿轮运动。在新研究中，研究人员证明，微型机械可通过光学超材料驱动，这是一种可在纳米尺度捕获并操控光的小型图案化结构。利用传统光刻工艺，研究人员在硅基微芯片上直接制造出含光学超材料的齿轮，直径仅数十微米。通过向超材料照射激光，即可驱动齿轮旋转。激光强度控制转速，改变光的偏振方向还可切换旋转方向。研究人员由此接近实现真正的微马达。

通过构建基于光学超表面的微型齿轮系统，采用硅超表面环结构作为驱动齿轮，通过电子束光刻制备460nm厚硅超原子阵列，经氯等离子体刻蚀形成四分段偏振敏感结构。SU-8光刻制作中心支柱与盖帽固定于玻璃芯片，利用1064nm平面光波照射超表面，通过动量与自旋角动量转移实现旋转，结合齿轮啮合传递运动至从动齿轮，无需聚焦光束或外部连接器。

在实验中，驱动齿轮最小直径8μm，光强35μW μm⁻²下转速稳定，最大扭矩36 pN·μm，响应时间10μs级；齿轮组传动效率67.9%，支持30μm长距离耦合，动态调控偏振切换响应时间<10μs。连续运行11小时无结构退化，晶圆级制造串扰低于-20dB，纯圆偏振入射时图像一致性保持稳定。

值得一提的是，该研究的创新之处在于首创无连接器光学超表面驱动架构，通过四分段超原子设计实现偏振-相位解耦，突破传统双共振器效率瓶颈。平面光波驱动兼容CMOS工艺，支持数万微型马达并行制造，偏振调控实现旋转方向动态切换，为可重构微型机械系统提供新型光控集成范式。

研究第一作者、哥德堡大学软物质物理研究员Gan Wang表示，“我们构建了一个齿轮组，其中光驱动的齿轮带动整个链条运动。这些齿轮还能将旋转运动转化为线性运动、执行周期性动作，或控制微镜偏转光线。这是微尺度机械设计的根本性思维转变。通过用光取代笨重的耦合结构，我们终于突破了尺寸壁垒。”

研究人员表示，未来这类齿轮可缩小至16至20微米，与人体细胞大小相当，在医学领域应用前景广阔。例如，用该技术制造的微电机可作为人体内的“微型泵”，用于调节液体流动；此外还有望用于光学操控、颗粒处理以及开发微流控芯片实验室系统等方面。