光電鑷—一種用途廣泛的微納操作工具

張帥龍 李 恭 李鳳剛 徐冰睿 李 航 符榮鑫*

①(北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 北京 100081)

②(北京市智能機(jī)器人與系統(tǒng)高精尖創(chuàng)新中心 北京 100081)

③(北京理工大學(xué)醫(yī)工融合研究院 北京 100081)

④(北京理工大學(xué)仿生機(jī)器人與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081)

⑤(北京理工大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院 北京 100081)

1 引言

微機(jī)器人技術(shù)是在微納米尺度對(duì)微小目標(biāo)進(jìn)行靈巧機(jī)器人化操作的技術(shù)。隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)器人技術(shù)廣泛應(yīng)用于藥物測(cè)試、疾病檢測(cè)、細(xì)胞分析、微創(chuàng)手術(shù)、生物材料裝配等領(lǐng)域[1]，是我國(guó)“十四五”科技創(chuàng)新規(guī)劃的重點(diǎn)戰(zhàn)略之一。微機(jī)器人存在多種驅(qū)動(dòng)方式，可分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)[2]、化學(xué)驅(qū)動(dòng)[3]、電驅(qū)動(dòng)[4]、磁驅(qū)動(dòng)[5]、聲驅(qū)動(dòng)[6]和光驅(qū)動(dòng)[7]。其中，光驅(qū)動(dòng)相較于其他驅(qū)動(dòng)方式具有易操控、多功能、生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，是微納操作機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。目前，光鑷(Optical Tweezers, OT)是應(yīng)用最廣泛的光驅(qū)動(dòng)微納操控技術(shù)，其利用光子與微小物體之間的動(dòng)量守恒來(lái)對(duì)微小物體施加的力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體的操控[8]。光鑷技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)微尺度下復(fù)雜的機(jī)械操縱，包括微流體泵、定向組織培養(yǎng)、精確的細(xì)胞/組織轉(zhuǎn)移等。

受光鑷技術(shù)啟發(fā)，美國(guó)加州伯克利大學(xué)的吳明教授團(tuán)隊(duì)[9]于2005年發(fā)明了光電鑷技術(shù)(OptoElectronic Tweezers, OET)用于操控微小物體。光鑷技術(shù)需要激光對(duì)物體進(jìn)行操控，而光電鑷技術(shù)只需要普通的LED光源就可以實(shí)現(xiàn)操控，因此光電鑷技術(shù)具有能夠并行操控多個(gè)微小物體的優(yōu)勢(shì)。并且，相比于光鑷，光電鑷能更輕易地驅(qū)動(dòng)更大尺度的物體，對(duì)于不同介電特性的物體，光電鑷對(duì)它們的作用也不同。光電鑷技術(shù)的這些特點(diǎn)使得它可以被廣泛地應(yīng)用于特定微粒的篩查、對(duì)微小物體的快速排布、微小物體的分離與運(yùn)輸?shù)炔僮鳎谏镝t(yī)療、微納精細(xì)加工等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

2 光電鑷技術(shù)研究現(xiàn)狀

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外光電鑷技術(shù)的研究現(xiàn)狀，本文將從光電鑷設(shè)備的類(lèi)型、光電鑷技術(shù)的應(yīng)用、光電鑷技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化3個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)，闡述光電鑷技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2.1 3種常見(jiàn)的光電鑷設(shè)備

常見(jiàn)的光電鑷芯片有3種，分別是能產(chǎn)生豎直電場(chǎng)的光電鑷芯片、能產(chǎn)生水平電場(chǎng)的光電鑷芯片以及前兩者的結(jié)合。

Valley 等人[10]設(shè)計(jì)了3種用于并行操作多個(gè)單細(xì)胞穿孔的光電鑷設(shè)備，可與其他相關(guān)生物技術(shù)(如細(xì)胞裂解、電穿孔)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行診斷和刺激的高通量并行操作。如圖1所示[10]，第1種(圖1(a))是豎直排布的光電鑷芯片，該芯片由氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)玻璃制成的上極板與附有氫化非晶硅的ITO玻璃制成的下極板組成，能產(chǎn)生豎直方向的電場(chǎng)。第2種(圖1(b))是水平排布光電鑷芯片，該芯片上極板為普通玻璃，用于透光，無(wú)電流通過(guò)；下極板為表面附有氫化非晶硅的塊狀I(lǐng)TO，能產(chǎn)生橫向電場(chǎng)。第3種設(shè)備(圖1(c))為前兩種設(shè)備的結(jié)合，能產(chǎn)生豎直電場(chǎng)與橫向電場(chǎng)。每種設(shè)備都有其特定的屬性與對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，使用者可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇相應(yīng)的光電鑷設(shè)備。

圖1 3種光電鑷設(shè)備[10]

如果需要進(jìn)行水平面的操作，如移動(dòng)微小物體，則可以使用能夠產(chǎn)生豎直排布電場(chǎng)的光電鑷芯片，但是它的操控力非常小。而如果使用能夠產(chǎn)生水平排布電場(chǎng)的光電鑷芯片，則可以在微小陣列之間對(duì)物體產(chǎn)生相對(duì)較大的操控力，但是如果物體相對(duì)電極陣列單元過(guò)小，則無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的水平移動(dòng)，僅能實(shí)現(xiàn)豎直面內(nèi)的升降。最后，對(duì)于既能產(chǎn)生水平排布電場(chǎng)，又能產(chǎn)生豎直排布電場(chǎng)的光電鑷芯片，則對(duì)電極陣列的控制有較高的需求，需要及時(shí)靈活地根據(jù)操作需求改變電場(chǎng)排布。

2.2 光電鑷技術(shù)的應(yīng)用

2.2.1 微小物體顆粒操控

OET常應(yīng)用于操縱各種微小顆粒與納米材料，包括半導(dǎo)體和金屬納米線、碳納米管、導(dǎo)電納米顆粒和金屬離子等。文獻(xiàn)[11]對(duì)光電鑷系統(tǒng)下不同極化物質(zhì)之間的相互作用進(jìn)行了研究，由于不同物質(zhì)在介質(zhì)中受到的光誘導(dǎo)介電泳力不同，使用光電鑷進(jìn)行操作時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生兩極化物質(zhì)之間的相互作用，研究者基于該相互作用實(shí)現(xiàn)了光電鑷芯片中對(duì)微小物體進(jìn)行捕獲、運(yùn)輸與釋放如圖2[11]。

圖2 使用微生物運(yùn)輸微小物體[11]

在實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)合理建模進(jìn)行了仿真，研究人員找到了能夠?qū)ξ⒙菪瀹a(chǎn)生吸引力而對(duì)聚苯乙烯微球產(chǎn)生排斥力的電場(chǎng)條件，省去了在實(shí)驗(yàn)中逐步尋找參數(shù)的過(guò)程，以便開(kāi)展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與討論。這一思路也非常值得光電鑷及其相關(guān)領(lǐng)域的工作人員借鑒。

2.2.2 細(xì)胞操作

光電鑷技術(shù)的另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是細(xì)胞操作，光電鑷技術(shù)的微納操控能力使其能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞分類(lèi)、細(xì)胞分離等操作。

光電鑷結(jié)合光誘導(dǎo)電穿孔是一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的技術(shù)，能夠做到低成本、動(dòng)態(tài)和并行地對(duì)細(xì)胞進(jìn)行電穿孔。該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)真正的細(xì)胞操作集成平臺(tái)，包括芯片上的細(xì)胞分類(lèi)、電穿孔和細(xì)胞培養(yǎng)。如圖3為使用光電鑷誘導(dǎo)單細(xì)胞電穿孔的實(shí)驗(yàn)[12]。

圖3 光誘導(dǎo)單細(xì)胞電穿孔[12]

該技術(shù)在進(jìn)行移動(dòng)細(xì)胞的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的電穿孔，便于分析細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，對(duì)基于光電鑷技術(shù)的細(xì)胞操作及培養(yǎng)平臺(tái)具有非常重要的意義。

Hsiao等人[13]研發(fā)了一種基于光電鑷技術(shù)的光學(xué)誘導(dǎo)細(xì)胞配對(duì)和光學(xué)誘導(dǎo)細(xì)胞融合微流體裝置。利用光電鑷與光誘導(dǎo)的局部增強(qiáng)電場(chǎng)相結(jié)合，在微流體裝置上實(shí)現(xiàn)精確和自動(dòng)的細(xì)胞配對(duì)和融合。通過(guò)光電鑷配對(duì)細(xì)胞并運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞接收點(diǎn)后，投射光圖案產(chǎn)生局部增強(qiáng)電場(chǎng) ，在細(xì)胞接觸區(qū)域誘導(dǎo)適當(dāng)?shù)目缒る娢?，從而在白光照射下觸發(fā)細(xì)胞融合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Pan1與A549細(xì)胞的融合率達(dá)到了9.67%。如圖4即為細(xì)胞在接受點(diǎn)進(jìn)行光誘導(dǎo)細(xì)胞融合的實(shí)驗(yàn)[13]。

圖4 細(xì)胞在接收點(diǎn)進(jìn)行光誘導(dǎo)細(xì)胞融合[13]

這是一種很有應(yīng)用前景的技術(shù)，可以在光電鑷芯片中實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)細(xì)胞的匹配，并自動(dòng)融合不同類(lèi)型的細(xì)胞，極大地避免了傳統(tǒng)單克隆抗體面臨的融合細(xì)胞篩選問(wèn)題，簡(jiǎn)化了相應(yīng)的流程，未來(lái)在生產(chǎn)單克隆抗體等領(lǐng)域能夠得到良好的應(yīng)用。

Zhao等人[14]提出了一個(gè)用于計(jì)算細(xì)胞在光電鑷影響下的運(yùn)動(dòng)的理論模型。基于對(duì)各種人類(lèi)細(xì)胞的軌跡跟蹤，研究者測(cè)量了細(xì)胞位移作為時(shí)間的函數(shù)(基于光電鑷的1階響應(yīng))，并計(jì)算了相關(guān)的速度和加速度。研究者對(duì)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，并根據(jù)細(xì)胞在特定介電泳(DiElectroPhoresis, DEP)力場(chǎng)下的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)來(lái)區(qū)分不同類(lèi)型的細(xì)胞。如圖5所示，即為研究者使用光電鑷得到的細(xì)胞的1階響應(yīng)[14]。

圖5 細(xì)胞基于光電鑷的1階響應(yīng)[14]

該工作在光誘導(dǎo)介電泳(Optical-induced DiElectroPhoresis, ODEP)系統(tǒng)下基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)對(duì)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，可以用于精確跟蹤細(xì)胞運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型細(xì)胞的識(shí)別和分類(lèi)。該方法有望進(jìn)一步發(fā)展為一種用于識(shí)別和區(qū)分細(xì)胞并量化細(xì)胞介電特性的非侵入性的方法。

2.2.3 光電鑷與微流控技術(shù)結(jié)合

微流控技術(shù)作為對(duì)微液滴與微流體的操縱技術(shù)與光電鑷技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，則可以控制微流體連續(xù)地將樣品輸送和提取到工作的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)基于光電鑷技術(shù)的高通量目標(biāo)分類(lèi)、分離和處理。文獻(xiàn)[15]結(jié)合光電鑷技術(shù)與微流控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)標(biāo)記物、非接觸的細(xì)胞外囊泡富集、分離與回收。研究者通過(guò)控制微閥門(mén)的開(kāi)閉，利用氣泵的吸力實(shí)現(xiàn)取樣、循環(huán)流動(dòng)、提取等微液體操作，在光操控區(qū)域使用光電鑷進(jìn)行細(xì)胞外囊泡的富集與分離。如圖6即為研究者使用收縮光圈富集細(xì)胞外囊泡的實(shí)驗(yàn)[15]?；谠搼?yīng)用，未來(lái)可以更多地嘗試使用光電鑷技術(shù)富集細(xì)胞外泌體，極大地提升細(xì)胞外泌體的收集效率，以便后續(xù)對(duì)其進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)等的研究，對(duì)癌癥早期篩查等方面具有深刻意義。

圖6 利用收縮光圈富集細(xì)胞外囊泡[15]

Pei等人[16]提出了一種用于多色光驅(qū)動(dòng)光電潤(rùn)濕器件的分布式電路模型，該模型考慮了光導(dǎo)體在可見(jiàn)光譜中吸收系數(shù)的變化和光生載流子的不均勻分布。在此模型的幫助下，研究者設(shè)計(jì)了具有最佳光導(dǎo)體厚度的光電潤(rùn)濕器件。與之前的研究報(bào)道相比，該光電潤(rùn)濕器件的性能有了顯著提高，光功率降低為原來(lái)的1/200，電壓降低為原來(lái)的1/5，液滴移動(dòng)速度提高了20倍。能夠根據(jù)需要使用商用投影機(jī)創(chuàng)建“虛擬”電極，用于大規(guī)模并行操控液滴。通過(guò)該光電潤(rùn)濕器件，研究者實(shí)現(xiàn)了96液滴陣列的并行操作。如圖7為結(jié)合了光電鑷技術(shù)的數(shù)字微流控芯片[16]。

圖7 光電鑷結(jié)合數(shù)字微流控技術(shù)[16]

通過(guò)向底板投射光圖案，可以生成相應(yīng)的虛擬電極，類(lèi)似數(shù)字微流控芯片的電極陣列，但由于光電鑷技術(shù)所用的虛擬電極具有靈活性，可以根據(jù)應(yīng)用需要靈活改變電極形狀及排布，避免了頻繁變更芯片設(shè)計(jì)，提升了芯片的泛用性。

2.3 光電鑷技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化

將光電鑷技術(shù)與微流控技術(shù)結(jié)合，利用光電鑷技術(shù)進(jìn)行微操作的同時(shí)利用微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)微流體的運(yùn)輸，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)單細(xì)胞進(jìn)行高通量并行操作，并對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)所需的水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、氣體等進(jìn)行運(yùn)輸。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，吳明教授團(tuán)隊(duì)[17]的上市公司-伯克利之光(Berkeley Light)以“尋找最好的細(xì)胞”為口號(hào)，推出幾款光電鑷技術(shù)平臺(tái)，如圖8所示?；谠撈脚_(tái)，可以使用光電鑷并行控制成百上千個(gè)細(xì)胞進(jìn)入腔室中進(jìn)行單獨(dú)培養(yǎng)并得到一系列細(xì)胞系，最終通過(guò)篩選得到最優(yōu)細(xì)胞系，并使用光電鑷技術(shù)將其取出。該技術(shù)平臺(tái)在單克隆抗體、干細(xì)胞研究、細(xì)胞療法等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用。

圖8 Beacon光電鑷平臺(tái)[17]

值得一提的是，該技術(shù)在抗擊新冠疫情中發(fā)揮了重要的作用，為多種中和抗體藥物的開(kāi)發(fā)提供了一種高效的篩選平臺(tái)[18]。目前，伯克利之光已在全球范圍內(nèi)完成裝機(jī)超過(guò)120臺(tái)，為從事基礎(chǔ)科學(xué)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)提供了一種高效的細(xì)胞“育種”工具。

3 研究進(jìn)展

本文作者張帥龍?jiān)趪?guó)外進(jìn)行了多年的光電鑷研究，主要從事光電鑷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及其微納操作應(yīng)用。開(kāi)創(chuàng)了利用光電鑷技術(shù)和冷凍干燥技術(shù)、光固化技術(shù)組裝微納電子器件的方法；開(kāi)發(fā)了用于細(xì)胞操作和基因檢測(cè)的微米級(jí)光驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，并實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的光電驅(qū)動(dòng)微機(jī)械流體控制系統(tǒng)。

3.1 基于光電鑷技術(shù)制備微小結(jié)構(gòu)

光電鑷技術(shù)通過(guò)光圖案產(chǎn)生虛擬電極來(lái)操控微小物體，介質(zhì)的選擇能夠影響微小物體所受到光誘導(dǎo)介電泳力的正負(fù)，基于此，選擇適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)可以達(dá)到吸引微小物體按照光照?qǐng)D案進(jìn)行排布的效果，加以一定的固化手段則可以達(dá)到按需制造平面或3維結(jié)構(gòu)。

本文作者張帥龍等人[19]提出了一種制作微納結(jié)構(gòu)的新方法，利用光電鑷技術(shù)進(jìn)行微小顆粒的排布，并使用紫外光固化技術(shù)使其穩(wěn)固。該方法得到的微結(jié)構(gòu)可以使用雙面膠帶或PDMS進(jìn)行轉(zhuǎn)移且不會(huì)被破壞。研究者用該方法制作了微電路和微電容且其測(cè)得電容電阻與標(biāo)準(zhǔn)值均相符，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法得到微結(jié)構(gòu)的實(shí)用性與穩(wěn)定性。

如圖9所示即為使用該方法得到的微電路[19]。圖9(a)為使用該方法制備微電路的示意圖，黃色部分為金屬電極，利用MEMS制備工藝生長(zhǎng)在了光電鑷芯片的底板上，用于與外界相連，在顯微鏡下觀察為綠色。通過(guò)操控可導(dǎo)電的焊錫珠連接兩個(gè)孤立電極，即可以實(shí)現(xiàn)微電路的接通，如圖9(b)、圖9(c)。也可以在介電物質(zhì)上生長(zhǎng)金屬電極，如圖9(d)，用于對(duì)接底板上的兩個(gè)孤立電極，即可制備微電容，如圖9(e)、圖9(f)。

圖9 基于光電鑷技術(shù)印制微電路[19]

3.2 基于光電鑷驅(qū)動(dòng)的微機(jī)器人技術(shù)

考慮到光電鑷具有靈活、高通量并行、精準(zhǔn)的操控優(yōu)勢(shì)，光電鑷驅(qū)動(dòng)的微機(jī)器人相比于其他驅(qū)動(dòng)方式下的微機(jī)器人也具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

本文作者張帥龍等人[20]提出了一種由光電鑷驅(qū)動(dòng)的微機(jī)器人，如圖10。該微機(jī)器人可以被直接制造為任何所需的理想形狀，且該機(jī)器人可通過(guò)編程進(jìn)行復(fù)雜的多軸操作。該系統(tǒng)被證明在單細(xì)胞分離、克隆擴(kuò)展、RNA測(cè)序、封閉系統(tǒng)內(nèi)的操作、控制細(xì)胞-細(xì)胞相互作用以及從異質(zhì)混合物中分離珍貴的顯微組織等應(yīng)用領(lǐng)域都具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖10 可進(jìn)行并行操作的光電鑷微機(jī)器人[20]

圖10(a)-圖10(c)以小球?yàn)椴僮鲗?duì)象，分別對(duì)應(yīng)了操作示意圖10(d)中的裝載、運(yùn)輸、遞送流程，展現(xiàn)了光電鑷驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人在細(xì)胞運(yùn)輸、藥物遞送等應(yīng)用領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢(shì)。圖10(e)則是一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了是否使用光電鑷驅(qū)動(dòng)的微機(jī)器人運(yùn)輸小球所能達(dá)到的最大運(yùn)輸速度，證明了使用該光電鑷驅(qū)動(dòng)的微機(jī)器人用于運(yùn)輸小球、細(xì)胞、藥物等可以達(dá)到更高的運(yùn)輸效率。圖10(f)則展現(xiàn)了光電鑷驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人可以高通量并行操作的優(yōu)勢(shì)。

液體介質(zhì)中，微齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變周?chē)牧黧w環(huán)境，將其用于微小物體的運(yùn)輸會(huì)使效率遠(yuǎn)高于直接使用光電鑷進(jìn)行運(yùn)輸[21]。并且，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境下光誘導(dǎo)介電泳力對(duì)微小物體的豎直分力，故使用兩個(gè)微齒輪配合可以實(shí)現(xiàn)微小物體在3維空間的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)3維運(yùn)輸，如圖11所示即為使用兩個(gè)微齒輪與光圖案配合實(shí)現(xiàn)小球運(yùn)輸?shù)膶?shí)驗(yàn)。

圖11 光電鑷驅(qū)動(dòng)微齒輪組實(shí)現(xiàn)物體的3維運(yùn)輸[21]

圖11(a)通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)水平微齒輪，改變兩個(gè)齒輪周?chē)牧鲌?chǎng)分布，可以加速微球的運(yùn)輸速度，微球的速度在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)齒輪之間會(huì)達(dá)到最大速度。分別利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)齒輪以及光圖案運(yùn)輸小球進(jìn)行最大運(yùn)輸速度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖11(b)，隨著光電鑷芯片板間電壓的升高，小球的最大運(yùn)輸速度增加，在相同電壓下，使用兩個(gè)水平齒輪旋轉(zhuǎn)改變周?chē)鲌?chǎng)的運(yùn)輸方式明顯優(yōu)于僅僅使用光圖案的運(yùn)輸方式。圖11(c)即為使用光電鑷運(yùn)輸小球進(jìn)行3維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行越障的示意圖，“圍墻”的高度明顯大于小球半徑，僅使用光電鑷或僅使用之前工作中介紹的微機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)小球的越障運(yùn)動(dòng)。考慮到實(shí)驗(yàn)中所用聚苯乙烯微球會(huì)受到負(fù)的介電泳力，光會(huì)向外排斥小球，因此會(huì)有向上的介電泳力分量，利用向上的介電泳力，結(jié)合齒輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向前的流場(chǎng)力，就可以像投射籃球一樣幫助聚苯乙烯微球?qū)崿F(xiàn)越障運(yùn)動(dòng)。

并且，本文作者張帥龍及其團(tuán)隊(duì)成員在這一工作中還探索了基于光電鑷的可重構(gòu)微機(jī)械系統(tǒng)的其他有意義的應(yīng)用，比如使用兩個(gè)微齒輪進(jìn)行嚙合，通過(guò)改變主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的相對(duì)大小，即可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速或扭矩的放大，作為微機(jī)械系統(tǒng)中的變速器。也可以使用微齒輪與微齒條進(jìn)行配合，將光電鑷產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平移動(dòng)，與微流道配合，通過(guò)使用光電鑷操控微齒輪旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)微流道的開(kāi)啟與閉合，相比于僅使用光圖案阻擋微小物質(zhì)，使用該方法可以更加有效地在大流速下進(jìn)行阻攔；而需要微流體通過(guò)時(shí)，則可以靈活地通過(guò)反向旋轉(zhuǎn)微齒輪實(shí)現(xiàn)微流道的開(kāi)啟。

4 總結(jié)與討論

光電鑷技術(shù)通過(guò)光圖案虛擬電極照射在光電導(dǎo)表面以改變電場(chǎng)分布，進(jìn)而利用物質(zhì)在電場(chǎng)中的極化來(lái)操控物體運(yùn)動(dòng)。因此，相比聲控、熱控、磁控等操控方式，光電鑷能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的控制。而相比于能做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制的光鑷技術(shù)，光電鑷技術(shù)能夠同時(shí)操控多個(gè)目標(biāo)并輕易地提供更大的操作力，通過(guò)改變光電鑷板間偏置電壓與光圖案的組合即可實(shí)現(xiàn)不同的操作模式。在進(jìn)行細(xì)胞操作時(shí)，使用較小的偏置電壓能夠在不破壞細(xì)胞的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的采集、運(yùn)輸?shù)炔僮?；使用較大的電壓配合較小的光圖案，能夠在較小范圍內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的光誘導(dǎo)介電泳力，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的可逆穿孔，進(jìn)行電穿孔治療等操作；使用較高的電壓配合面積較大的光圖案，能夠在更大的范圍內(nèi)產(chǎn)生更強(qiáng)的光誘導(dǎo)介電泳力，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的裂解，進(jìn)而得到細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，如細(xì)胞核。因此，相比于另外幾種操作方式，在芯片上進(jìn)行操作的光電鑷技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。

然而，通過(guò)上述的各種應(yīng)用，不難看出光電鑷技術(shù)的大多應(yīng)用仍局限于2維平面內(nèi)的操作，很難進(jìn)行3維空間中的一些基本操作。目前為止，該領(lǐng)域的研究人員主要使用的是豎直排布的光電鑷設(shè)備，通過(guò)改變豎直排布的電場(chǎng)，在靠近光電鑷芯片底板附近的區(qū)域進(jìn)行2維平面尺度的操作。但其他的微操作驅(qū)動(dòng)方式，例如磁控，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在3維空間中操作微小物體。因此，為了進(jìn)一步擴(kuò)展光電鑷技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，亟需探索使用光電鑷在3維空間尺度下對(duì)微小物體進(jìn)行操作的方式。

為解決這一問(wèn)題，本文認(rèn)為有如下兩種方式。第1種方式是參考之前提到的既能產(chǎn)生豎直排布電場(chǎng)又能產(chǎn)生水平排布電場(chǎng)的光電鑷芯片。對(duì)于最被廣泛應(yīng)用的豎直排布光電鑷設(shè)備，光誘導(dǎo)介電泳力主要用于驅(qū)動(dòng)微小物體在水平面運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于橫向排布的光電鑷設(shè)備，光誘導(dǎo)介電泳力主要用于驅(qū)動(dòng)微小物體在豎直面運(yùn)動(dòng)。故通過(guò)使用既能產(chǎn)生豎直排布電場(chǎng)又能產(chǎn)生水平排布電場(chǎng)(在本文稱(chēng)為“交叉排布電場(chǎng)”)的光電鑷設(shè)備，就有可能實(shí)現(xiàn)使用光電鑷在3維空間中操控物體。

然而，這一方法仍存在一定困難。以常用的豎直排布光電鑷設(shè)備來(lái)說(shuō)，即使光誘導(dǎo)介電泳力對(duì)所操縱的微小物體目標(biāo)主要產(chǎn)生水平方向的操控力，使微小物體在水平面運(yùn)動(dòng)，但該光誘導(dǎo)介電泳力仍有豎直方向的分量。如果要考慮使用產(chǎn)生交叉排布電場(chǎng)的光電鑷設(shè)備，則需考慮如何抵消光誘導(dǎo)介電泳力在另一方向的影響，或者需要進(jìn)行更深入的研究，以便更精準(zhǔn)、有效地利用產(chǎn)生交叉排布電場(chǎng)的光電鑷設(shè)備進(jìn)行3維操作。

第2種方式，則是在光電鑷系統(tǒng)中加入其他的能量形式。如，使光電鑷技術(shù)結(jié)合磁控技術(shù)，利用磁控技術(shù)操控力大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)微小物體、微機(jī)器人的快速運(yùn)輸、3維運(yùn)動(dòng)，利用光電鑷技術(shù)在平面操作的靈活、精細(xì)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行更加細(xì)微的操作。

又或是改變光電鑷的驅(qū)動(dòng)形式，如使用微齒輪機(jī)器人，使用光電鑷操控其轉(zhuǎn)動(dòng)，即可以改變齒輪周?chē)牧鲌?chǎng)，將光電鑷產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為周?chē)黧w的運(yùn)動(dòng)。參考機(jī)械齒輪傳動(dòng)，使用相互嚙合的異面齒輪將光電鑷產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)從水平面?zhèn)鬏數(shù)截Q直面，從而實(shí)現(xiàn)基于光電鑷技術(shù)的3維傳動(dòng)，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上探索光電鑷技術(shù)在3維空間中更廣闊的應(yīng)用。