北理工Advanced Materials封面论文：光电镊技术新突破-光驱动3D微齿轮系统实现跨平面运动传递

一、研究亮点

图1. 构建可在三维空间中运行的多组件微机器系统

研究团队利用可编程光图案控制光电镊（OET）系统，通过电荷排斥效应和介电泳悬浮力，成功实现了微齿轮的精准翻转、悬浮和三维组装。该工作所使用的厚度仅30微米的微齿轮更容易进行翻转，翻转角速度达1.2弧度/秒，可实现微齿轮工作平面的灵活切换。这一技术突破使得微机器能够在三维空间内自由运动，不再受限于传统二维平面的束缚。

图2. 微齿轮的翻转行为

A) 微齿轮在水平面旋转的示意图及显微镜图像。B) 电压关闭时平躺的微齿轮（左），电压开启后通过圆形光图案推动翻转至直立状态。C) 直立微齿轮被空心矩形光图案推动并在垂直平面滚动。D) 30 μm和60 μm厚微齿轮在XY平面的相对电场分布模拟。E) 30 μm和60 μm厚微齿轮在XZ平面的相对电场分布模拟。F) 不同位置下微齿轮的介电泳翻转扭矩计算结果。G) 不同位置下微齿轮的翻转角加速度计算结果。

跨维度运动传递：从2D到3D

为了构建稳定的三维微齿轮系统，团队采用双光子聚合（2PP）激光加工技术，制造了微型支撑结构，使直立齿轮能够稳定旋转。实验中，水平旋转的齿轮通过齿轮啮合成功驱动了直立齿轮，实现了跨平面运动传递，这一突破为未来搭建复杂三维传动模块提供了重要基础。

图3. 基于OET的微齿轮系统组装与驱动

A) 2PP制备的机械支撑结构SEM图像。B) 机械支撑的俯视显微镜图像。C) 直立微齿轮与支撑结构的组装过程示意图及实验图像。D) 组装后微齿轮与支撑的互连结构。E) 三维跨平面微齿轮组的运行示意图及实验图像。

研究团队发现，微齿轮表面的电荷会产生高达2511.8皮牛的排斥力，有效减少了齿轮间的摩擦，类似于宏观机械系统中的润滑剂。此外，介电泳力使微齿轮悬浮在基底上方约5.8微米，进一步降低了摩擦阻力。这种“电子润滑+悬浮轴承”的机制，使得微齿轮系统能够高效运转，为未来微机械设计提供了新思路。

图4. 微齿轮的排斥机制

A) 二维齿轮组表面电荷分布的模拟。B) 光图案促使两齿轮物理啮合的显微镜图像。C) 关闭电压后齿轮运动无明显变化的显微镜图像。D) 关闭光图案后齿轮因电压排斥分离的显微镜图像。E) 不同电压下齿轮间距随时间的变化。F) 不同电压下齿轮最终间距的测量。

仿生设计，灵感来自宏观世界

该研究的灵感来源于宏观齿轮系统，例如汽车变速箱中的锥齿轮组。团队在微观尺度上复现了类似的机械传动原理，证明了宏观机械工程经验在微观世界仍然适用。这一发现为未来设计更复杂的微机械系统提供了重要参考。

二、总结与展望

这项技术的突破，将在多个领域带来深远影响：

生物医学：可构建微型手术机器人，在血管内进行三维操作，提高精准度。

靶向给药：多组件协同运输药物，穿越复杂生物屏障，提高治疗效果。

微机电系统（MEMS）：开发新型三维微传感器和执行器，推动微型机器人技术的发展。

本研究采用了深圳追光生物科技有限公司自主研发的OptoBot®500光电镊微流控操控平台（https://www.optoseeker.com/）。作为国内首款实现商业化的全自动光电镊系统，该平台在技术可靠性和操作便捷性方面具有显著优势，并已经在清华大学、中国科技大学、北京理工大学、南方科技大学等中国顶尖高校得以使用。

OptoBot®500光电镊微流控操控平台的技术来源于北京理工大学的张帅龙教授团队，可实现对亚微米级颗粒的精准操控，并支持多种功能应用，包括但不限于：纳米材料组装、微马达/微齿轮机器人控制、微纳尺度力学特性表征、光电镊-微流控集成技术开发、细胞分选、细胞操控以及在生物医学研究等领域的创新应用，相关成果发表Nature子刊、Science子刊、PNAS等高水平期刊50余篇。该仪器的国产化突破为国内微纳操控技术研究提供了重要的工具支撑。

图5. OptoBot^® 500光电镊系统及其产生的微颗粒图案

Gong Li, Bingrui Xu, Xiaopu Wang, Jiangfan Yu, Yifan Zhang, Rongxin Fu, Fan Yang, Hongcheng Gu, Yuchen Huang, Yujie Chen, Yanfeng Zhang, Zhuoran Wang, Guozhen Shen, Yeliang Wang, Huikai Xie, Aaron R. Wheeler, Jiafang Li*, Shuailong Zhang*, “Crossing the Dimensional Divide with Optoelectronic Tweezers: Multicomponent Light-Driven Micromachines with Motion Transfer in Three Dimensions”, Advanced Materials, 2025, 37, 2417742.

论文链接：

论文原文 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202417742

附作者简介：

李恭，北京理工大学集成电路与电子学院博士生，研究方向为光电镊技术、光驱动微机械系统、光电镊控制算法等，目前已发表包括Advanced Materials、Microsystems & Nanoengineering、Nano Letters在内的多篇高水平论文。

张帅龙，北京理工大学集成电路与电子学院教授、博士生导师（谢会开教授团队），十四五国家重点研发计划项目首席专家（2次），2019年度中组部海外高层次青年人才，2024年度重庆市杰出青年基金获得者，集成声光电微纳系统教育部工程研究中心副主任，北京理工大学九三学社委员会副主委，三支社主委。主要从事生物微纳操作技术、光电镊技术、微流控技术、生物芯片与传感技术、微全分析系统、科学仪器创制研究。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/zhangshuailong

李家方，北京理工大学物理学院特聘教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国家青年拔尖人才，基金委“极端光场制造科学与工程”基础科学中心项目核心成员，北京理工大学光电学院党委书记。主要从事表面等离激元及光子晶体结构中光和物质的相互作用研究，并致力于发展纳米剪纸、飞秒激光直写等三维微纳加工技术与应用。