研究人员打造由光驱动纳米马达推动的微型无人机

赋明通

手持式激光笔在“发射”时不会产生明显的后坐力--尽管它发射的是定向光粒子流。原因非常简单，因为跟光粒子离开激光笔时引起的非常微小的后坐力脉冲相比，它的质量相对巨大。

然而人们早已清楚，光学反冲力确实可以对相应的小颗粒产生重大影响。如彗星的尾巴指向远离太阳，部分是由于光的压力。通过光帆推进轻型航天器的问题也被反复讨论，最近一次则是跟Starshot项目有关，在该项目中，一支微型航天器舰队将被送往半人马座阿尔法星。

作为模型的普通四旋翼无人机

在期刊《Nature Nanotechnology》上，由Bert Hecht教授领导的维尔茨堡物理学家现在首次表明，不仅可以用光在水环境中有效地推动微米大小的物体，而且可以用所有三个自由度（两个平移加一个旋转）在表面上精确控制它们。

在这样做的过程中，研究人员受到了普通四旋翼无人机的启发，在那里，四个独立的转子可以完全控制运动。这种控制的可能性为通常极难处理的纳米和微型物体提供了全新的选择，如纳米结构的组装、纳米级精度的表面分析或生殖医学领域。

带有多达四个光驱动纳米马达的聚合物圆盘

维尔茨堡的微型无人机由一个直径为2.5微米的透明聚合物盘组成。在这个圆盘中嵌入了最多四个由金制成的可独立寻址的纳米马达。

“这些马达是基于在维尔茨堡开发的光学天线，即尺寸小于光的波长的微小金属结构，”赫克特研究小组的博士后Xiaofei Wu说道，“这些天线专门为接收圆偏振光进行了优化。这使电机能接收光线而无需考虑无人机的方向，这对应用性至关重要。在进一步的步骤中，接收到的光能再由马达以特定的方向发射出去进而产生光学反冲力，这取决于偏振的旋转感（顺时针或逆时针）和两种不同波长的光中的任何一种。”

只有在这种想法下，研究人员才能有效和精确地控制他们的微型无人机。由于无人机的质量非常小，可以实现极端加速。

微型无人机的开发是具有挑战性的。它早在2016年就开始了，由大众汽车基金会提供研究经费，专门用于风险项目。

基于单晶金的精确制造

纳米马达的极度精确制造对微无人机的功能至关重要。使用加速的氦气离子作为从单晶金中切割纳米结构的手段已被证明改变了游戏规则。而在进一步的步骤中，研究人员使用电子束光刻技术生产无人机机身。最后，无人机必须从基底上分离出来并被带入溶液中。

在进一步的实验中，研究人员实施了一个反馈回路以自动纠正对微型无人机的外部影响，进而能更精确地控制它们。此外，研究小组努力完成控制选项以便无人机在表面以上的高度也能被控制。当然，另一个目标是在微型无人机上安装功能性工具。