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中國(guó)科大發(fā)展關(guān)聯(lián)量子傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)缺陷的三維納米成像

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、王亞等人在量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出基于信號(hào)關(guān)聯(lián)的新量子傳感范式，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石內(nèi)點(diǎn)缺陷的高精度成像，并實(shí)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)缺陷的電荷動(dòng)力學(xué)。這項(xiàng)研究成果以Correlated sensing with a solid-state quantum multisensor system for atomic-scale structural analysis為題，于2024 年1 月5 日在線發(fā)表在Nature Photonics上。

最近二十多年時(shí)間里，量子傳感的發(fā)展已經(jīng)使得很多物理量的測(cè)量技術(shù)取得了革命性的進(jìn)展。比如基于納米尺度的金剛石氮-空位色心量子傳感器有望實(shí)現(xiàn)單分子的結(jié)構(gòu)解析（杜江峰院士團(tuán)隊(duì)前期工作：Nature Physics10,21 (2014);Science 347,1135 (2015);Nature Methods 15,697(2018)）。以磁測(cè)量為例，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)解析的量子傳感范式需要對(duì)標(biāo)記的自旋探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行量子操控。然而，自然界中的很多物理現(xiàn)象既不包含自旋也無法直接操控，如半導(dǎo)體中的電荷動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致的隨機(jī)電報(bào)信號(hào)等。更重要的是，當(dāng)多個(gè)探測(cè)對(duì)象信號(hào)重疊，相互干擾，單個(gè)量子傳感器將無法對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效提取與分析。

為此，本工作提出了一種新的量子傳感范式，即利用多個(gè)量子傳感器之間的信號(hào)關(guān)聯(lián)，提升對(duì)復(fù)雜對(duì)象的解析能力和重構(gòu)精度。研究團(tuán)隊(duì)基于自主發(fā)展的氮-空位色心制備技術(shù)，可控制備出相距約200 nm 的3 個(gè)氮-空位色心作為量子傳感系統(tǒng)，通過對(duì)隨機(jī)電場(chǎng)探測(cè)展示了這種新的量子傳感范式。

金剛石是一種性能優(yōu)異的寬禁帶半導(dǎo)體材料，材料中點(diǎn)缺陷的電荷動(dòng)力學(xué)會(huì)帶來隨機(jī)的電場(chǎng)噪聲。本工作中，利用金剛石氮-空位色心激發(fā)態(tài)的直流斯塔克效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)的傳感。當(dāng)某個(gè)點(diǎn)缺陷的電荷狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，3 個(gè)氮-空位色心可以同時(shí)探測(cè)到因電荷變化而引起的電場(chǎng)變化。利用3 個(gè)色心間電場(chǎng)同時(shí)變化的關(guān)聯(lián)特征，可以從雜亂無章的漲落電場(chǎng)中解析出每個(gè)點(diǎn)缺陷對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)，并且由于每個(gè)點(diǎn)缺陷和3 個(gè)氮-空位色心的相對(duì)空間位置不同，就可以根據(jù)每個(gè)氮-空位色心所感受到的電場(chǎng)方向和大小的不同來精確定位出點(diǎn)缺陷的空間位置。使用這種類似于衛(wèi)星定位的量子定位技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功對(duì)微米范圍內(nèi)16 個(gè)點(diǎn)缺陷進(jìn)行了定位，定位精度最高達(dá)到1.7 nm。基于這種關(guān)聯(lián)分辨和精確定位的能力，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)點(diǎn)缺陷電荷動(dòng)力學(xué)的原位實(shí)時(shí)探測(cè)，為研究體材料內(nèi)部點(diǎn)缺陷的性質(zhì)提供了新的方法。

這一成果展示了基于量子技術(shù)的超高靈敏度缺陷探測(cè)，可對(duì)0.01 ppb 級(jí)別的缺陷濃度（一千億個(gè)正常原子中出現(xiàn)一個(gè)缺陷）進(jìn)行探測(cè)。這要比目前最靈敏方法的探測(cè)極限提升兩個(gè)量級(jí)以上，有望為當(dāng)前十納米以下芯片中的缺陷檢測(cè)提供一種強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

沈陽自動(dòng)化所在連續(xù)體機(jī)器人主動(dòng)避障控制方面研究取得新進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所劉浩研究員與友誼醫(yī)院張忠濤教授在連續(xù)體機(jī)器人的主動(dòng)避障控制方面研究取得新進(jìn)展，2023 年12 月18 日，相關(guān)成果以Active collision avoidance for teleoperated multi-segment continuum robots toward minimally invasive surgery為題在The International Journal of Robotics Research線上發(fā)表。

連續(xù)體機(jī)器人具有主動(dòng)避障能力，作為醫(yī)療機(jī)器人在人體腔道的復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)時(shí)，可有效避免機(jī)器人本體與人體組織或多個(gè)機(jī)器人之間的碰撞，有利于保證手術(shù)的安全與質(zhì)量。然而，由于連續(xù)體機(jī)器人柔性結(jié)構(gòu)與障礙環(huán)境的不規(guī)則性，表達(dá)兩者之間的空間形態(tài)關(guān)系并實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全交互是一個(gè)提高機(jī)器人主動(dòng)避障能力的具有挑戰(zhàn)性的問題。

為了突破上述問題，科研團(tuán)隊(duì)提出了一種通用的主動(dòng)避障控制框架。該框架包括連續(xù)體機(jī)器人幾何模型的簡(jiǎn)潔表達(dá)式，機(jī)器人與任意形狀障礙物之間的碰撞檢測(cè)方法，適應(yīng)不同任務(wù)的避碰控制器，以及評(píng)估機(jī)器人避碰能力的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。該框架為連續(xù)體機(jī)器人的安全手術(shù)提供一種有效可行的方法，并推動(dòng)機(jī)器人輔助手術(shù)向更智能的方向發(fā)展。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、興遼領(lǐng)軍人才、中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的支持。

深圳先進(jìn)技術(shù)研究院制備皮牛彈簧打造超靈敏機(jī)器人

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所副研究員徐海峰團(tuán)隊(duì)通過自主開發(fā)的超彈磁性光刻膠，構(gòu)建了彈性體4D 納米光刻技術(shù)，制備出迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)——皮牛彈簧，探測(cè)靈敏度達(dá)到500 飛牛（10～15 牛），實(shí)現(xiàn)了皮牛力下微米級(jí)的形變。

基于此，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)出一系列具有超靈敏度的軟體微米機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了高精度細(xì)胞操縱，有望為顯微外科手術(shù)和靶向藥物輸送等精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域提供新方法。2024 年1 月3 日，該研究成果發(fā)表于《自然-納米技術(shù)》。

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)想出一種微米級(jí)別的彈性機(jī)器人用以探測(cè)更低的細(xì)胞力，并運(yùn)用首次構(gòu)建的彈性模量維度4D 納米彈性體光刻策略，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)。

該系統(tǒng)具有納米級(jí)的特征尺寸，其力感知的靈敏度可以達(dá)到500 飛牛，相當(dāng)于單個(gè)細(xì)胞重力的一千分之一，并且其形變精度超過1 微米每皮牛。

這一新型皮牛彈簧支持高度自由的4D 光刻加工，可以被定制化加工成任意形狀，同時(shí)完美兼容磁性光刻材料，可用于制備各類軟體微米機(jī)器人和柔性微米器件。

“這項(xiàng)工作開辟了探索生理、病理?xiàng)l件下分子、細(xì)胞和組織的力化生耦合動(dòng)力學(xué)原理的新途徑。”中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、清華大學(xué)生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所教授馮西橋評(píng)價(jià)說。

科研人員開發(fā)出物理智能控制的新型軟體機(jī)器人

美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)了一種新的軟體機(jī)器人，它可同時(shí)進(jìn)行3 種行為：向前滾動(dòng)、像唱片一樣旋轉(zhuǎn)，以及沿著圍繞中心點(diǎn)運(yùn)行的路徑移動(dòng)。該設(shè)備無需人工或計(jì)算機(jī)控制即可運(yùn)行，有望開發(fā)可用于導(dǎo)航和繪制未知環(huán)境的柔性機(jī)器人設(shè)備。2024 年1月8 日，該研究論文發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

新的軟體機(jī)器人被稱為“扭曲環(huán)形機(jī)器人”，由絲帶狀液晶彈性體制成。這些彈性體像烤肉面條一樣扭曲，然后在末端連接在一起，形成一個(gè)類似手鐲的環(huán)。當(dāng)機(jī)器人放置在至少55 ℃的表面上時(shí)，色帶接觸表面的部分會(huì)收縮，而暴露在空氣中的色帶部分則不會(huì)收縮。這會(huì)引起滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，表面溫度越高，機(jī)器人滾動(dòng)得越快。

該機(jī)器人也可沿著其中心軸旋轉(zhuǎn)，就像轉(zhuǎn)盤上的唱片一樣。當(dāng)它向前移動(dòng)時(shí)，會(huì)沿著圍繞中心點(diǎn)的軌道路徑移動(dòng)，基本上是繞一個(gè)大圓圈移動(dòng)。然而，如果它遇到邊界，就會(huì)沿著邊界移動(dòng)。

這一機(jī)器人最大的亮點(diǎn)，在于它們的行為是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料決定的，而不是由計(jì)算機(jī)或人為干預(yù)來指導(dǎo)的。

因此，研究人員通過設(shè)計(jì)幾何形狀就可微調(diào)機(jī)器人的行為。例如，他們可通過扭轉(zhuǎn)絲帶來控制其旋轉(zhuǎn)方向；可通過改變色帶的寬度、色帶中的扭曲次數(shù)等來調(diào)整速度。

在概念驗(yàn)證測(cè)試中，扭曲環(huán)形機(jī)器人能夠遵循各種密閉空間的輪廓，可沿著邊界線繪制出復(fù)雜空間輪廓，并能確定邊界中的間隙或損壞。