盖世汽车讯 长期以来，研究人员一直利用光学镊子（optical tweezers）通过精确控制的激光束，以极高精度操控微小物体。然而，这项技术始终存在一个根本性限制：其能够施加的作用力非常有限。

据外媒报道，在一项发表于期刊《Nature》的新研究中，由中国安徽大学Dong Wu领衔的研究团队公布了一种改进设计：一种通过光纤传输光信号进行控制的微型机械夹爪（miniature mechanical gripper）。

该装置结合了光学工具的高精度与机械装置的高抓取力，有望使研究人员在微尺度（microscale）下操控和组装微小物体变得更加容易。

光学镊子的力学局限

光学镊子的工作原理，是将激光束聚焦到极其微小的焦点，使微小物体被吸引到光强最高的区域。这一技术具有极高精度：由于无需物理接触即可捕获和移动目标，研究人员甚至可以操控小到单个分子和生物细胞的结构。

然而，其产生的作用力极其微弱，仅以皮牛（piconewton）计量，大约比1牛顿（newton）小一万亿倍。这意味着，光学镊子通常只能操控体积小、透明且形状规则的物体；对于不规则、不透明或较重的物体，则难以实现稳定捕获。

仿生设计（Bio-inspired Design）

为了克服这一挑战，研究团队构建了一种三维光纤夹爪（3D Optical Fiber Gripper, OFG），尺寸仅为“38 × 38 × 61微米（μm）”，小到足以容纳在一根人类头发内部。研究团队利用一种名为双光子聚合（two-photon polymerization）的微尺度3D打印技术，直接将该装置制造在商用光纤的末端。

该设计借鉴了生物结构：

* 装置内部的光纤相当于“神经（nerve）”，负责传输光信号；

* 含有银纳米颗粒（silver nanoparticles）的水凝胶（hydrogel）充当“肌肉（muscle）”；

* 刚性聚合物夹爪（rigid polymer claws）则构成“骨架（skeleton）”。

当近红外激光（near-infrared laser）通过光纤传输并照射到银纳米颗粒时，会产生热效应，使水凝胶收缩，从而驱动夹爪张开。而当光源关闭时，夹爪会重新闭合，抓住位于其间的目标物体。

三维光纤夹爪“仿生肌肉—骨骼”结构设计；图片来源：《Nature》

更强抓取力，保持同样高精度

在实验中，该夹爪的响应时间仅为 77毫秒（ms），并且每秒可以完成多达5次开合动作。更重要的是，其输出抓取力达到微牛（micronewton）量级，比此前基于光纤的光学镊子高出10倍以上。

在演示实验中，该装置成功操控了多种不同物体，包括氧化铝微球（alumina spheres）、碳化硅碎片（silicon carbide fragments）以及长达20厘米（约合8英寸）的铜线（copper wires）。此外，它还能够在不损伤细胞的前提下，成功抓取、运输并释放单个人体癌细胞（human cancer cells）。

更令人印象深刻的是，研究团队利用该夹爪完成了微型机械部件（包括微型轴承和微型齿轮箱的组装），整个组装过程均保持微米级精度（micrometer precision）。

面向生物医学与微型机械制造

由于尺寸极小，这种光纤夹爪还能进入传统机械夹爪无法到达的区域，例如宽度小于300微米的狭窄通道以及已切除的动物组织（excised animal tissue）内部。研究团队认为，随着进一步优化，该装置未来有望应用于多个领域，包括单细胞生物学（single-cell biology）、微创手术（minimally invasive surgery）以及微尺度机械（microscale machines）的制造与组装。