微米级“变色龙”，登上Science！

鉴于此，康奈尔大学Paul L. McEuen教授团队介绍了一种新型磁控微型机器人（微型机器人），它们在可见光衍射极限下运行，被称之为衍射机器人。他们将纳米厚的机械膜、可编程纳米磁铁和衍射光学元件结合起来，创造出不受束缚的微型机器人。这些机器人足够小，可以衍射可见光，并且足够灵活，可以在毫特斯拉级磁场中进行复杂的重新配置。作者进一步展示了它们的应用，包括使用结构化照明显微镜变体进行亚衍射成像、用于光束控制和聚焦的可调衍射光学元件以及具有皮牛顿灵敏度的力感应。相关研究成果以题为“Magnetically programmed diffractive robotics”发表在最新一期《Science》上。

【衍射机器人平台】

本文用于创建衍射机器人的平台基于集成纳米级衍射光学、磁控制元件和光机械超材料。衍射机器人在 10 mm × 10 mm 硅芯片上制造，由于其结构化的几何形状而呈现出鲜艳的衍射颜色（图 1A）。这些机器人采用了可编程纳米磁体、柔性铰链和衍射光学面板，可实现多种配置和机械响应（图 1B）。磁性阵列通过可编程矫顽场对复杂的运动动力学进行编码，而原子层沉积 (ALD) 形成超薄、坚固的铰链，提供旋转自由度。这些铰链的厚度为 5 nm，具有出色的灵活性，可在毫特斯拉磁场下实现机械重新配置（图 1C-E）。这种制造平台为构建具有定制光学和机械功能的微型机器人提供了基础工具。

图 1. 衍射机器人平台

【两片式衍射机器人】

两面板衍射机器人展示了磁场下折叠、运动和纳米级精密成像等基本功能（图 2A）。该机器人由两个面板组成，通过 ALD 铰链连接，并嵌入可编程磁偶极子以实现精确驱动。磁压缩可实现可预测的重新配置，从而实现面板间距的精确调整。实验表明 ALD 铰链具有极其柔软的弹簧常数（约 100 mN/m），这使得它们对机械力具有高敏感性。布朗运动实验强调了热波动对微尺度成像的挑战。通过采用衍射成像，研究人员实现了不受热模糊影响的纳米级分辨率。相干激光产生的衍射图案提供了分辨率约为 1 nm 的面板分离数据（图 2D-G）。运动实验表明，它能像尺蠖一样在表面行走，并过渡到在液体中游泳。对于较大的设计，机器人的行走速度高达 16 µm/s；对于较小的版本，机器人的行走速度高达 34 µm/s，在规模和速度上都优于以前的微型机器人。游泳表现出非往复的划动，允许在表面运动和流体运动之间进行转换（图2H-J）。

图 2. 两片式衍射机器人

【运动的光机械超材料】

对光机械超材料的探索说明了该平台可实现的多种配置。例如：（1）拉胀结构：这些机器人被设计为方晶格拉胀超材料，表现出衍射图案和晶格几何形状的转变（图3A）。在磁驱动下，它们的周期性沿两个轴扩展，从而产生动态光学响应。（2）受折纸启发的形状：Miura-Ori设计缩放至微观水平，展示了暴露于磁场时沿特定尺寸的受控压缩（图3B）。（3）树突爪结构：更复杂的具有爪状附属物的树突结构在场诱导驱动下表现出多维收缩和运动能力（图3C-D）。结果证明了创建具有光学和机械可调性的机械可重构系统的能力。

图 3. 运动光机械超材料

【用于次衍射成像的衍射机器人】

衍射机器人通过结构照明显微镜（R-SIM）的变体实现亚衍射极限成像。通过充当移动光栅，机器人可以促进莫尔图案的生成，将高频空间信息混合到可观察的尺度中。该技术通过对周期性低于衍射极限的金属分辨率标记进行成像来证明（图 4A-C）。重建技术产生了亚衍射特征的清晰图像，例如 600 nm 间隔的线和孤立的 2D 标记。这些结果经过扫描电子显微镜 (SEM) 参考资料的验证，证明了机器人作为超越传统光学限制的高分辨率成像工具的有效性（图 4D-F）。

图 4.用于次衍射成像的衍射机器人

【可调谐光学器件和力传感】

六面板衍射光栅机器人通过外部磁场改变面板压缩来演示可调谐光束转向。观察到的衍射角与机械结构的变化相关，从而实现光场的局部控制（图5A-B）。通过将光学衍射特性与机械配置相结合，机器人足够灵敏，可以检测小至 1 pN 的力。此功能源于对正弦场引起的面板位移的高分辨率测量（图 5D）。该研究引入了一种无线磁性可调菲涅尔透镜，能够连续调整焦距（图 5E）。该透镜由梯形衍射面板构成，在磁驱动下将焦距从 50 µm 缩短至 40 µm。这项创新将紧凑型设计与多功能性相结合，为生物医学和工业应用中的自适应光学系统提供了可能性（图 5F）。

图 5. 可调谐光学器件和力传感

【结论】

该研究在微型机器人技术和光学工程之间建立了突破性的交叉点。这些衍射机器人展示了多种功能，包括运动、光学操纵和亚纳米力灵敏度。该平台的模块化支持几何形状和光学组件的快速原型设计，从而实现成像、传感和光操纵方面的高级应用。未来潜在的方向包括集成超表面、等离子体探针和集群行为以进一步扩展功能。这项创新为微型机器人中的内窥镜成像、精确的纳米级力图和变革性光学工具带来了希望。