Nedavno je grupa prof. Gu Fuxinga pod vodstvom akademika Zhuang Songlina na Fakultetu za optoelektroniku Univerziteta u Kini izumila tehnologiju laserskog hvatanja baziranu na efektu fototermalnog šoka, nazvanu Photothermal-Shock Tweezers, koja realizuje hvatanje i proizvoljnu manipulaciju mikro- i nano-objekata na interfejsu čvrstih tela i istražuje njegove nano-robotičke primene. Autonomni nanoroboti sa snažnim potiskom u uslovima suhog čvrstog kontakta fototermalnim šokom" objavljeni su 11. novembra 2012. godine, a rezultati su objavljeni u časopisu "Autonomni nanoroboti sa snažnim potiskom u uslovima suvog čvrstog kontakta fototermalnim šokom". Autonomni nanoroboti sa snažnim potiskom u uslovima suvog kontakta sa čvrstim materijalom fototermalnim šokom" objavljeno je 24. novembra u časopisu Nature Communications. Dr Gu Zhaoqi, Zhu Runlin i Shen Tianci su bili koautori, a prof. Gu Fuxing je bio dopisni autor, dok su ostali saradnici bili prof. Liu Xu sa Tehnološkog univerziteta Hebei i prof. Liu Jia sa Univerziteta Auburn, i akademik Zhuang Songlin je nadgledao cijelo istraživanje. Istraživanje je podržano od strane Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine i Šangaja. Očekuje se da će tehnologija istražiti primjene bez presedana u različitim oblastima kao što su nanoproizvodnja, biomedicina, zrakoplovstvo i vojska.
Sistem fototermalnih impulsnih pinceta može neprimjetno naslijediti robotiku u makroskopskom svijetu i realizirati scenarije inteligentnog robotskog rada u mikroskopskom svijetu. Tim je koristio metalni nanolist, u kombinaciji s prepoznavanjem slike, dubokim učenjem, planiranjem putanje i kontrolom povratnih informacija kako bi realizirao prvi autonomni nanorobot na svijetu s funkcijom čišćenja. Prepoznajući čistoću odabranog područja, robot će ponavljati ciklus čišćenja dok ne dostigne zadovoljavajući nivo čistoće.
Lasersko zarobljavanje (trapping) se smatra moćnim alatom za manipuliranje kretanjem objekata u nanosvijetu, nakon što je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1997. i 2018. za širok spektar primjena u okruženjima sa suspendiranim medijima, kao što su vakuumi i tekućine, ali ostaje izazov na čvrstim kontaktnim površinama. Istraživači su koristili impulsni izvor svjetlosti za zagrijavanje mikro- i nano-objekta, a apsorbirana energija svjetlosnog impulsa je trenutno pretvorena u mehaničko širenje, stvarajući izuzetno veliko trenutno opterećenje unutar objekta, nazvano fototermalni šok (PS). Trenutni udarni efekat proizvodi silu koja daleko premašuje normalan način vibracije, baš kao što trenutna brzina iskora zmija koje se hrane daleko premašuje normalnu brzinu puzanja, tako da može razbiti problem mikro-nano otpora i ostvariti kretanje na čvrstom sučelju .
Šematski dijagram teoreme o impulsu i impulsu, koji ilustruje vizuelno poređenje između iskora zmije i normalnog puzanja.
Svojstvo zarobljavanja je u srcu tehnologije laserske manipulacije, jer omogućava da se kretanje čestice upravlja pozicijom tačke, omogućavajući proizvoljnu kontrolu kretanja, a ne samo zaustavljanje u nedostatku kontrolisanog aktiviranja. Zlatne nanožice u nanosekundnom pulsu od 532 nm Gaussovog tipa spot akcije, pomjerat će se prema unutrašnjoj strani točke, sve dok centar nanožice i centar točke ne budu u liniji sa centrom točke, što je tipičan proces hvatanja . Kroz teorijsku analizu, istraživači su pronašli fizički izvor pokretačke sile fototermalnog šoka, koji se naziva fototermalna sila gradijenta jer izraz uključuje temperaturni gradijent. Prilikom pomicanja tačke, ravnoteža distribucije sile fototermalnog gradijenta se narušava, a nanožica se pomiče prema centru mrlje, a ponavljajući proces cijelo vrijeme, nanožica se pomiče aksijalno sve do tačke. Osim toga, za nanožicu uhvaćenu u centru tačke, povećanje snage lasera će uzrokovati da krajevi nanožice budu stisnuti većom silom fototermalnog gradijenta i savijeni u stranu, čime se ostvaruje bočno pomicanje. Ovo omogućava proizvoljno kretanje nanožica u dvodimenzionalnoj ravni. Slika ispod prikazuje upotrebu više nanožica od strane tima za formiranje kineskog znaka "冲" i engleske riječi "SHOCK".
Fototermalne impulsne pincete manipulišu nanožicama
Koristeći nanoploče paladijuma kao šasiju, istraživači su napravili složeniji i svestraniji nanorobot, nazvan HOUbot zbog svoje sličnosti s kineskim rakom potkovicom (slika 4a i video). Robot se može slobodno kretati poput automobila, a izvodi veći stepen slobode i fine pokrete kao što su guranje glave, nezavisno zamahivanje repom i bokanje. Robot je opremljen poluvodičkim nanožicama koje se mogu koristiti za in situ detekciju vlage. Zbog svoje relativno velike površine, robot je vrlo opterećen, s teorijskim nosivim opterećenjem reda veličine miligrama (ekvivalentno masi mrava). Usvajanjem postojećeg makro-mehaničkog dizajna za opremanje dodatnih komponenti ili tereta, HOUbot može raditi kao makro-robot i prvi je nano-robot na svijetu koji može obavljati specifične zadatke koristeći tradicionalna mehanička sredstva.
Povezana šema
Izum fototermalnih pinceta omogućio je laserskoj manipulaciji da probije dilemu međufaznog otpora, dopunjujući okruženje primjene manipulacije svjetlom i omogućavajući laserima da konačno ostvare sposobnost proizvoljnog manipuliranja objektima u mikro-nano okruženju koje se može usporediti s tri svijeta zemlje, more i vazduh (vakuum/gas, tečnosti i čvrste materije). Fizički, fokus je na prolaznoj termoelastičnoj dinamici i tribologiji, posebno nedestruktivnim studijama, koje dalje otkrivaju razumijevanje mehano-dinamičkih procesa u mikroskopskom području. Tehnologija se u principu može koristiti u bilo kojem opsegu talasnih dužina i sa bilo kojim materijalom koji se može apsorbovati. Osim toga, kroz prostornu modulaciju svjetlosti i suradnju s više robota, klasteri autonomnih nanorobota mogu se realizirati za obavljanje složenih zadataka koji su trenutno nedostižni konvencionalnim sredstvima.
