研究人员制造出由光驱动的微型齿轮，为纳米级机器创造了里程碑

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研究人员已经制造出微型机器，配有可运转的齿轮、齿条和小齿轮，完全依靠光来运行。

研究，最近发表在自然，标志着工程师首次在微米尺度上组装功能性“齿轮系”，利用光子而不是马达或电线来驱动运动。

如果这项技术成熟，其未来将可能出人意料地实用。光驱动微电机可以在邮票大小的诊断实验室中泵送试剂，在超紧凑型相机中控制镜子，或者打开和关闭药物输送植入物中的阀门——而且无需电池或电线。

在数据中心，大量的齿轮系统可以动态地重新配置光学电路，帮助在芯片之间传输激光信号。在生物医学研究中，微型光机械臂有朝一日可以精确地操纵单个细胞或蛋白质，完成目前只有笨重、昂贵的仪器才能完成的任务。

小齿轮，大抱负

这一成果由物理学家和工程师团队使用标准半导体制造工具取得，展示了人们长期寻求的光子学和力学之间的桥梁：由光束驱动和控制的微型机器。

每台“元机器”（作者称之为“元机器”）都采用类似于计算机芯片的光刻技术蚀刻在芯片上。当受到光照时，这些图案化的超表面会改变光子的方向，使其动量（尽管很小）转化为扭矩，从而驱动齿轮旋转。

这些装置不仅仅是旋转的圆盘。它们包含由相互连接的部件组成的完整组件，例如传递力的齿轮组，以及将旋转转换为线性运动的齿条齿轮系统。通过改变光的偏振或调整超表面的几何形状，研究人员可以改变方向或调节速度。

他们甚至将这些微型引擎与镜子结合在一起，展示了机械运动如何根据需要改变光信号——这是对可重构光学电路的诱人一瞥。

然而，与许多令人眼花缭乱的突破一样，这些成果也存在一些问题，使其更像是概念验证，而非实际原型。其转换效率极其微小，约为光能的十万亿分之一。

换句话说，这些机器虽然运转，但几乎无法运转。它们产生的扭矩微乎其微，旋转缓慢，而且运转依赖于精确的照明和稳定的环境。吸收光的热效应会导致漂移或损坏，而机器本身也面临着机械的永恒敌人：摩擦、磨损和污染。

从实验室好奇心到未来工具

尽管如此，演示仍然意义重大。几十年来，研究人员一直试图将移动机械部件与微米级的光学和电子系统集成，但却陷入了工程死胡同。电子微执行器需要布线和接触，而这些在如此尺寸下变得难以管理。化学和磁驱动带来了芯片制造的复杂性和不兼容性。

如果光能够被利用来做有用的功，它就能提供一种非接触式的替代方案。通过将光学超表面直接嵌入齿轮结构，该团队证明了光子确实可以作为动力源，尽管效率较低，但可以用于连接机械运动。

其潜在应用范围广泛，尽管前景渺茫。在微流体领域，光驱动泵或阀门未来或许无需电极或管道即可移动分子。在传感和光学领域，微型镜子和快门可以动态地控制或过滤光线，从而构建灵活的光子电路。

生物学家梦想着研制出无需电线或磁铁即可在细胞内操作或操控微生物的微机械工具。即使是基础科学也能从中受益：这些微型齿轮阵列可以帮助研究人员研究表面力主导的尺度上的摩擦、粘附和磨损。

工作原理（缩略图）

这种方法尤其吸引人的地方在于它与现有的芯片制造工艺兼容。这些元机器采用半导体代工厂中已经很常规的光刻工艺，由常见材料制造而成。这意味着，理论上，未来某一天，整个微型器件领域——光学、机械，甚至生物——都可以像添加一层新的电路一样轻松地整合这些结构。

但要实现这一前景，需要解决一系列艰巨的问题。光是一种优雅的能源，但却很弱；每个光子仅携带微弱的动量。扩大输出可能需要强度极高的激光器，否则会产生破坏性加热。齿轮的细小齿必须以原子级精度啮合，这使得它们容易受到缺陷和灰尘的影响。虽然研究表明它可以持续运行数小时，但在实际环境中，关于寿命、可重复性和控制的问题仍然存在。

目前，元机器最好被视为对可能性的精妙演示，而非现成的组件。但在这个长期以来以纳米为单位衡量进步的领域，即使是微小的进步也能带来革命性的改变。利用光束编织运动的微型工厂的愿景仍然遥不可及——但突然之间，它不再是空想。