Nedavno je grupa prof. Gu Fuxinga pod vodstvom akademika Zhuang Songlina na Školi za optoelektroniku Kineskog sveučilišta izumila tehnologiju laserskog snimanja temeljenu na učinku fototermalnog šoka, nazvanu Photothermal-Shock Tweezers, koja ostvaruje snimanje i proizvoljnu manipulaciju mikro- i nano-objekata na sučelju čvrstih tijela i istražuje njegove nano-robotičke primjene. Autonomous nanorobots with strong thrust under dry solid-contact Conditions by photothermal shock" objavljen je 11. studenog 2012., a rezultati su objavljeni u časopisu "Autonomous Nanorobots with Powerful Thrust under Dry Solid-Contact Conditions by Photothermal Shock". Autonomni nanoroboti sa snažnim potiskom u uvjetima suhog kontakta s čvrstom tvari pomoću fototermalnog šoka" objavljen je 24. studenog u Nature Communications. Dr. Gu Zhaoqi, Zhu Runlin i Shen Tianci bili su koautori, a prof. Gu Fuxing bio je dopisni autor, dok su ostali suradnici uključivali prof. Liu Xu sa Tehnološkog sveučilišta Hebei i prof. Liu Jia sa Sveučilišta Auburn, te akademik Zhuang Songlin nadzirao je cijelo istraživanje. Istraživanje su podržali Nacionalna zaklada za prirodne znanosti Kine i Šangaja. Očekuje se da će tehnologija istražiti neviđene primjene u raznim područjima kao što su nanoproizvodnja, biomedicina, zrakoplovstvo i vojska.
Sustav fototermalnih impulsnih pinceta može neprimjetno naslijediti robotiku u makroskopskom svijetu i realizirati scenarije inteligentnog rada robota u mikroskopskom svijetu. Tim je koristio metalnu nanoploču u kombinaciji s prepoznavanjem slike, dubinskim učenjem, planiranjem putanje i kontrolom povratnih informacija kako bi realizirao prvog autonomnog nanorobota na svijetu s funkcijom čišćenja. Prepoznavanjem čistoće odabranog područja, robot će ponavljati ciklus čišćenja dok ne postigne zadovoljavajuću razinu čistoće.
Lasersko hvatanje (hvatanje) smatra se moćnim alatom za manipuliranje kretanjem objekata u nanosvijetu, osvojivši Nobelovu nagradu za fiziku 1997. i 2018. za širok raspon primjena u okruženjima s suspendiranim medijima, poput vakuuma i tekućina, ali ostaje izazov na čvrstim kontaktnim površinama. Istraživači su koristili pulsirajući izvor svjetlosti za zagrijavanje mikro- i nano-objekta, a apsorbirana energija svjetlosnog pulsa trenutno je pretvorena u mehaničku ekspanziju, generirajući iznimno veliko trenutno opterećenje unutar objekta, nazvano fototermalni udar (PS). Trenutačni učinak šoka proizvodi silu koja daleko premašuje normalni način vibracije, baš kao što trenutna brzina iskoraka zmija koje se hrane daleko premašuje normalnu brzinu puzanja, tako da može razbiti nevolju mikro-nano otpora i ostvariti kretanje na čvrstoj površini .
Shematski dijagram teorema o impulsu i momentu koji ilustrira vizualnu usporedbu između zmijskog iskoraka i normalnog puzanja.
Svojstvo hvatanja je u središtu tehnologije laserske manipulacije, budući da omogućuje upravljanje kretanjem čestice položajem točke, omogućujući proizvoljnu kontrolu kretanja, umjesto samo zaustavljanja zbog nedostatka kontroliranog pokretanja. Zlatne nanožice u nanosekundnom pulsu od 532 nm djelovanja točke Gaussovog tipa pomaknut će se prema unutrašnjosti točke, sve dok središte nanožice i središte točke ne budu u liniji sa središtem točke, što je tipičan proces snimanja . Teoretskom analizom istraživači su pronašli fizički izvor pokretačke sile fototermalnog udara, koja se naziva sila fototermalnog gradijenta jer izraz uključuje gradijent temperature. Prilikom pomicanja mrlje narušava se ravnoteža raspodjele sile fototermalnog gradijenta i nanožica se ponovno pomiče prema središtu mrlje, a stalnim ponavljanjem procesa nanožica se pomiče aksijalno cijelim putem s mrljom. Osim toga, za nanožicu uhvaćenu u središtu točke, povećanje snage lasera uzrokovat će da se krajevi nanožice stisnu većom silom fototermalnog gradijenta i savijaju u stranu, čime se ostvaruje bočno pomicanje. To omogućuje proizvoljno kretanje nanožica u dvodimenzionalnoj ravnini. Slika ispod prikazuje timsku upotrebu više nanožica za oblikovanje kineskog znaka "冲" i engleske riječi "SHOCK".
Fototermalne impulsne pincete manipuliraju nanožicama
Koristeći nanoploče od paladija kao šasiju, istraživači su izgradili složeniji i svestraniji nanorobot, nazvan HOUbot zbog sličnosti s kineskim potkovnjakom (slika 4a i video). Robot se može kretati slobodno poput automobila, te izvodi viši stupanj slobode i fine pokrete poput guranja glave, samostalnog zamaha repom i guranja. Robot je opremljen poluvodičkim nanožicama koje se mogu koristiti za in situ detekciju vlage. Zbog svoje relativno velike površine, robot je vrlo opterećujući, s teorijskim korisnim opterećenjem reda miligrama (ekvivalentno masi mrava). Usvajanjem postojećeg makro-mehaničkog dizajna za opremanje dodatnih ugrađenih komponenti ili tereta, HOUbot može raditi kao makro-robot i prvi je nano-robot na svijetu koji može obavljati specifične zadatke korištenjem tradicionalnih mehaničkih sredstava.
Povezana shema
Izum fototermalne pincete omogućio je lasersku manipulaciju da probije dilemu međupovršinske otpornosti, nadopunjujući okruženje primjene svjetlosne manipulacije i omogućujući laserima da konačno ostvare mogućnost proizvoljne manipulacije objektima u mikro-nano okruženju usporedivom s tri svijeta kopna, more i zrak (vakuum/plin, tekućine i čvrste tvari). Fizički, fokus je na prijelaznoj termoelastičnoj dinamici i tribologiji, posebice nedestruktivnim studijama, koje dalje otkrivaju razumijevanje mehanodinamičkih procesa u mikroskopskom području. Tehnologija se u načelu može koristiti u bilo kojem rasponu valnih duljina i s bilo kojim materijalom koji se apsorbira. Osim toga, kroz modulaciju prostorne svjetlosti i suradnju više robota, mogu se realizirati klasteri autonomnih nanorobota za obavljanje složenih zadataka koji su trenutno nedostižni konvencionalnim sredstvima.
