特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
微型機器人散射的光可產生衍射光學效應，從而為機器人技術和衍射光學的交叉應用創造了機會。例如，機器人的結構、形狀和方向可用于操縱和動態控制局部光場。
關鍵問題
然而，微型機器人的研究主要存在以下問題：
1、將衍射光學系統和微型機器人技術小型化到光波長尺度存在挑戰
將衍射光學系統和微型機器人技術小型化到光波長的尺度是一個技術上的挑戰。這涉及到制造能夠在微米級別操作的微型機器人，這些機器人需要嵌入信息并根據控制信號進行驅動和移動。
2、 在微米級別實現磁性驅動是一個難題
雖然磁性圖案化機器人的磁驅動在毫米級別已經發展得很好，但在微米級別實現這種驅動一直是一個難題。通過將磁信息編碼到微型機器人中以及使用ALD技術為微型機器創建靈活、耐用且與半導體制造工藝兼容的結合，才使得在微米級別實現磁性驅動成為可能。
新思路
有鑒于此，康奈爾大學Paul L. McEuen等人介紹了一種新型磁控微型機器人（微型機器人），它們在可見光衍射極限下運行，稱之為衍射機器人。作者將納米厚的機械膜、可編程納米磁鐵和衍射光學元件結合起來，創造出不受束縛的微型機器人，它們足夠小，可以衍射可見光，并且足夠靈活，可以在毫特斯拉級磁場中進行復雜的重新配置。作者展示了它們的應用，包括使用結構化照明顯微鏡變體進行亞衍射成像、用于光束控制和聚焦的可調衍射光學元件以及具有皮牛頓靈敏度的力感應。
技術方案：
1、開發了衍射機器人平臺
作者在10x10毫米硅片上制造了數千個衍射機器人，由衍射面板、可編程納米磁鐵和5納米ALD鉸鏈組成，可實現多尺度集成，用于磁控衍射應用。
2、制造了雙面板衍射機器人
作者制造了能響應磁場的衍射機器人，通過衍射成像實現納米級內部配置測量，且能水面行走或起飛，展示出色的移動能力。
3、展示了光機械超材料
本工作開發的制造方法能創造復雜折紙結構的衍射機器人，可由磁場驅動并實現多種應用，如超越衍射極限的成像技術。
4、開發了名為機器人SIM（R-SIM）的技術
作者開發了R-SIM技術，使用衍射機器人在磁場控制下產生結構光場，實現超衍射極限成像，展示了亞衍射分辨率成像能力。
5、展示了衍射機器人在光學控制和成像技術中的應用潛力
作者開發了磁控衍射光柵和菲涅爾透鏡，能動態調整光束和焦距，實現光場控制，具有測量微小力的靈敏度。
技術優勢：
1、提出了一個創新的磁控衍射機器人平臺
作者提出了創新的磁控衍射機器人平臺，該平臺利用可編程納米磁體將多軸磁信息編碼到衍射面板中，并通過5納米厚的鉸鏈實現超柔性連接，形成磁致動關節，能夠在衍射可見光的同時，在毫特斯拉級均勻磁場中進行大規模內部重構。
2、展示了衍射機器人的多孔能應用
作者展示了衍射機器人的多種應用，包括使用結構化照明顯微鏡變體進行亞衍射成像、作為可調衍射光學元件用于光束控制和聚焦，實現具有皮牛頓靈敏度的力感應，展示了衍射機器人在高精度成像、光學控制和微小力測量方面的潛力。
技術細節
衍射機器人平臺
在10x10毫米的硅片上，作者制造了數千個衍射機器人，它們能夠使光線衍射出多種顏色。這些機器人由衍射面板、可編程納米磁鐵和柔性ALD鉸鏈組成，通過深紫外和電子束光刻技術以及半導體制造工藝制造而成。衍射光柵寬50微米，面板寬1毫米，而ALD鉸鏈僅5納米厚，實現了從毫米到納米的多尺度集成?？删幊碳{米磁鐵由單疇鈷納米磁鐵組成，其矯頑場和磁偶極子方向通過形狀各向異性控制。這些磁鐵嵌入二氧化硅面板中，并覆蓋以鉻，最終由5納米厚的ALD SiO2膜連接，形成耐用的柔性接頭。這一平臺能夠創建具有任意數量面板、鉸鏈或光學元件的任意微型機器人結構，為磁控衍射機器人提供了一個通用制造方法。
圖 衍射機器人平臺
雙面板衍射機器人
作者利用制造協議創建了多種衍射機器人，它們由兩個面板組成，通過ALD鉸鏈連接，形成旋轉自由度。每個面板上的納米磁體陣列被編程以創建相反方向的磁偶極子，使得機器人能在外部磁場中折疊。衍射圖像提供了一種測量機器人內部配置的納米級精度方法，超越了傳統實空間成像。機器人的質心擴散運動與表面附近球形顆粒的擴散常數相當，而衍射成像技術消除了布朗運動對成像的影響，實現了更準確的內部配置測量。此外，這些機器人還能在復雜磁場驅動下沿表面行走，甚至產生升力從水面起飛，展示了在不同環境下的移動能力。這些微型衍射機器人展示了驅動、移動和通過衍射測量內部微小變化的能力。
圖 雙面板衍射機器人
運動光機械超材料
本設計與制造方法不僅限于簡單結構，還能制造可見波長范圍內的復雜折紙結構，并用磁場驅動。作者展示了三種折紙圖案的光機械超材料，包括方形晶格膨脹材料、Miura-Ori結構和樹枝狀爪狀機器人，它們在外部磁場作用下展現出不同的形狀變化和運動。這些衍射機器人不僅豐富了設計空間，還實現了亞衍射顯微鏡、可調衍射光學元件和局部皮牛頓力傳感等多種應用。特別是，作者利用結構化照明顯微鏡技術，使成像超出了標準衍射極限，展示了衍射機器人在移動光學元件中的應用潛力。
圖 運動光機械超材料
亞衍射成像的衍射機器人
作者開發了一種名為機器人SIM（R-SIM）的技術，利用衍射機器人主體產生結構光場，實現超衍射極限成像。R-SIM通過機器人在均勻磁場中旋轉控制光柵高度，收集不同角度和相位的圖像，生成莫爾條紋，將高空間頻率信息轉換為低空間頻率，實現亞衍射分辨率成像。此外，R-SIM還能解析局部孤立特征，通過掃描和收集圖像數據，重建出清晰圖像，展示了其在超分辨成像領域的潛力。
圖 用于亞衍射成像的衍射機器人
光束控制和聚焦
作者成功開發了衍射機器人，用于光束控制和聚焦。這些機器人配備磁可調周期的衍射光柵，通過改變磁場來控制光柵的周期性，進而控制衍射角度，實現光束的動態調整。此外，作者還展示了具有可變焦距的衍射菲涅爾透鏡，通過磁場調節改變焦點位置，焦距可連續調節20%，為光學元件設計提供了新的可能性。這些成果展示了衍射機器人在光學控制和成像技術中的應用潛力。
圖 可調光學和力傳感
展望
總之，本工作介紹的衍射機器人代表了微型機器人領域的重大進步，為機器人和衍射光學之間提供了新的聯系。使用機載磁控，作者已經證明這些機器人可以通過一系列不同的狀態進行驅動，沿著表面移動，并控制衍射光。為了展示這個平臺的靈活性和強大功能，使用機載光學元件進行了超分辨率成像，使用衍射光學元件引導和聚焦光線，并測量了納米級面板運動以進行超小力感應。該機器人平臺的通用性允許快速生產和修改各種尺寸、幾何形狀和光學元件，包括亞波長孔徑、超原子和等離子體共振探針。
參考文獻：
CONRAD L. SMART, et al. Magnetically programmed diffractive robotics. Science, 2024, 386(6725): 1031-1037.
DOI: 10.1126/science.adr2177
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr2177
