研究人员构建了微观机器——配备有工作齿轮、齿条和小齿轮——完全依靠光来运行。

这项研究最近发表在《自然》杂志上，标志着工程师首次在微米尺度上组装功能性“齿轮列”，利用光子而非电动机或电线来驱动运动。

如果这项技术成熟，其未来可能看起来出乎意料地实用。光驱动的微型电动机可以在邮票大小的诊断实验室中泵送试剂，操控超紧凑相机内部的镜子，或在药物输送植入物中开关阀门——无需电池或电线。

在数据中心，这些齿轮系统的群体可能会即时重新配置光学电路，帮助在芯片之间引导激光信号。在生物医学研究中，微小的光机械臂有一天可能会以精确控制操纵单个细胞或蛋白质，执行目前仅限于笨重、昂贵仪器的任务。

微小齿轮，大志向

这一成就由一组物理学家和工程师使用标准半导体制造工具领导，展示了光子学与机械学之间长期追求的桥梁：由光束驱动和控制的微型机器。

每个“变机器”，正如作者所称，是通过类似于计算机芯片的光刻技术刻蚀在芯片上的。当被照明时，图案化的超表面以特定方式重新定向光子，使得它们的动量——尽管微小——转化为扭矩，使齿轮旋转。

这些设备不仅仅是旋转的圆盘。它们包括互联部件的整个组件，如传递力的齿轮列和将旋转转化为线性运动的齿条和小齿轮系统。通过改变光的偏振或调整超表面几何形状，研究人员可以反转方向或调节速度。

他们甚至将这些微观引擎与镜子耦合，演示了机械运动如何按需改变光学信号——这是可重构光学电路的诱人一瞥。

然而，与许多令人惊叹的突破一样，结果伴随着一些警告，使其更像是概念验证而非实用原型。转换效率微乎其微，约为光能的十万亿分之一。

换句话说，这些机器在运作——但几乎不算。它们产生的扭矩微小，旋转缓慢，操作极度依赖于精确的照明和稳定的环境。吸收光产生的热效应可能引入漂移或损坏，而机器本身面临着机械学的永恒敌人：摩擦、磨损和污染。

从实验室好奇到未来工具

尽管如此，这一演示仍然重要。几十年来，研究人员一直试图在微米尺度上将移动机械组件与光学和电子系统集成，但总是遇到工程瓶颈。电动微型驱动器需要的电线和接触在如此小的尺寸下变得难以管理。化学和磁驱动带来了复杂性，并与芯片制造不兼容。

光提供了一种非接触的替代方案——如果它能被驯服以完成有用的工作。通过将光学超表面直接嵌入齿轮结构中，团队展示了光子确实可以作为动力源，尽管效率低下，但可以用于连接的机械运动。

潜在的应用范围广泛，尽管仍然遥远。在微流体学中，光驱动的泵或阀门有一天可能在没有电极或管道的情况下移动分子。在传感和光学中，微型镜子和快门可以动态引导或过滤光，成为灵活光子电路的构建块。

生物学家梦想着能够在细胞内部操作或操控微观生物的微机械工具，而无需电线或磁铁。即使是基础科学也能受益：这些微小齿轮的阵列可以帮助研究人员在表面力主导的尺度上研究摩擦、粘附和磨损。

微型工作原理

这种方法特别吸引人的原因在于它与现有芯片制造工艺的兼容性。这些变机器是使用在半导体铸造厂中已经常规的光刻步骤，从常见材料中制造的。这意味着，理论上，整个微型设备领域——光学、机械，甚至生物——将来可以像添加新电路层一样轻松地整合这些结构。

但实现这一承诺将需要解决一系列艰巨的问题。光是一种优雅的动力源，但却是微弱的；每个光子仅携带微弱的动量。扩大输出可能需要强度如此之高的激光，以至于引入破坏性加热。齿轮的微小齿必须以原子级精度啮合，使其容易受到缺陷和灰尘的影响。尽管研究表明可以连续操作数小时，但在现实环境中的耐久性、可重复性和控制性仍然存在疑问。

目前，变机器最好被视为可能性的精美演示，而不是现成的组件。但在一个进展长期以纳米为单位衡量的领域，即使是小步伐也能感觉到革命性。微型工厂的愿景，从光束中编织运动，依然遥远——但突然之间，它不再是想象中的事物。

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