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德研发光驱控微型无人机

2022-04-27 09:22:46 | 来源: 科技日报 | 责编: 郑思雯
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  近日,德国维尔茨堡大学的物理学家成功利用光在水环境中驱动微米大小的无人机,并精确控制它们。这个比红细胞还小的无人机有望为纳米和微米物体的处理提供全新的选择。

  人们很早就发现,彗星的尾巴由于光压总是指向远离太阳的方向。当光子与物质相互作用时,有动量和角动量的传递。对于宏观物体,由此产生的加速度很小,但对于质量和惯性矩都很小的微观物体,它会产生很大的影响。因此,利用光子反冲力来推动纳米物体就显得非常有吸引力。

  德国维尔茨堡大学物理学家伯特·赫希特教授领导的科研团队首次表明,不仅可在水环境中用光有效地推进微米级物体,还可精确地控制它们。科学家们以普通飞行无人机为范例,展示了水环境中的光驱动微型无人机,并通过四个独立的纳米马达精确地控制运动。相关成果发表在《自然·纳米技术》杂志上。

  该微型无人机由一个直径为2.5微米的透明聚合物圆盘组成,盘中嵌入了四个可单独操控的纳米天线来充当马达,可将驱动光的圆偏振分量共振散射到明确定义的方向上。简单地说,可理解为接收到光能后由光引擎在特定方向上辐射。这取决于偏振的旋转方向(顺时针或逆时针)以及两种不同波长的光波。

  纳米天线是精确控制无人机的关键。制备过程中要用高精度可控聚焦离子束在单晶金片上刻蚀纳米结构,剪出具有反射器和导向器以及必要的连接线的天线形状。经过特别优化,无论无人机的方向如何,都允许接收光线,这对于适用性至关重要。

  微型无人机质量只有2皮克,可在3个独立的自由度(两个平移和一个旋转)中进行操纵。驱动概念类似于日常的多旋翼无人机。由于所有自由度都可独立和直接地控制,因此还可使用反馈控制回路来抵消布朗运动,以便能够自动纠正外部影响。

  这种控制可能性为通常极其困难的纳米和微米物体的处理提供了全新的选择。例如,可在3个维度上扫描或排列纳米颗粒,或者操纵细胞内的物体。未来还可设想将工具附加到微型无人机上,使其在纳米和微米尺度物体的局部探测和传感中找到应用。

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