光子驱动的微型无人机实现对三个自由度​调控

近日，德国维尔茨堡大学物理研究所、莱布尼茨光子技术研究所等机构合作利用光子对微观物体的驱动作用，首次在三个自由度上实现了对无人机运动状态的有效调控，为纳米尺度上的诸多应用提供了坚实可靠的载体，给微纳光子器件的设计带来了启发。本工作以“Light-driven microdrones”为题发表在Nature Nanotechnology上，维尔茨堡大学的Wu Xiaofei及Bert Hecht为通信作者。

相信许多读者都曾记得，在“三体”系列的最后一部中，人类为了获得有关三体文明的些许情报，倾全球资源将云天明的大脑装在一个“太阳帆”中飞向了三体星系。太阳帆在一系列核弹爆破产生的冲击波以及太阳风的“推动”下，航行速度最终达到了光速的百分之一。太阳光推动帆面使飞船加速的描述，将一叶孤舟远赴太空的景象诗意且深刻地展示在读者眼前。助力太阳帆加速的核心因素，来自与光子与物质的基本作用：光压。

图1 太阳帆设想图（图源：文汇网）

在量子理论的解释中，光子同时具备能量与动量，动量会随着光子与物体表面的碰撞而发生传递和转移，无数的光子在同一个时刻撞击物质表面，在宏观上就会表现出“压力”的作用效果，进而“推动”物体运动。虽然这个推力对于自然界中许多宏观物体来说微乎其微，但对于许多在宇宙中航行不受阻力作用的飞行器，或是那些微观的物体，因为光子推动而产生的加速度会达到一个相当可观的水平。举个简单的例子，对于质量仅1个皮克的微观物体，中等强度的光通量便可为其带来50 m/s²的加速度。

随着激光这样一种高亮度光源的诞生，高密集能流密度下催生出与光子动力学相关的相关应用逐渐走向了人类的视野。激光驱动微观物质在特殊环境下定向移动便是一个极具前景和希望的研究方向。虽然理论已较为成熟，但目前已有的研究工作仍停留在依靠等离子纳米天线(NAS)驱使微观物体单向偏移和旋转的程度上，而这也仅能实现一个或半个自由度的光致驱动。相较于NAS驱动，光镊技术虽然可以使物体在被捕获后发生定向移动，但实际的作用效果往往取决于被捕获粒子的形态，不具备普适性；此外，光镊装置的固定方式也使得其无法被灵活运用于微观物体的控制中。

由于电池与数据处理等技术的突出发展，无人机产业在近年来发展势头较好。常见的四轴式无人机仅依靠四个独立的旋翼，就能在三维空间中完成一系列复杂的飞行动作，这种无人机对于自由度的解放，为Wu和Hecht等人的研究工作带来了启发，如图2(a)、(b)所示，他们仿照无人机的外形设计，将NAS在透明的圆片表面有序排列成相对于圆片中心呈对称分布的2或4个等离子体纳米马达结构。使得该微型无人机可以在圆偏振激光的驱动作用下，以图2(c)所示方式进行运动。

图2 (a)四旋翼无人机；(b)受4个等离子体纳米马达驱动的微型无人机；(c)微型无人机的运动示意图。

由NAS所组成纳米马达的主要工作方式，源自于其对于偏振激光光束的散射作用：一束有向传播的激光在照射至其表面时会发生散射，散射作用所带来光子动量的传递，使水平方向上产生不平衡的“后坐力”效果，直接体现为无人机运行所需的旋转或前进动力。

如图3所示，这项工作所设计的无人机可以在830 nm和980 nm等两个波段圆偏振激光的照射下，通过与圆盘中心轴线呈对称分布纳米马达的驱动（在图3圆盘中以波浪线的方式呈现），实现了三个自由度［向前-向后、向左-向右、顺时针(CW) 以及逆时针(CCW)］的运转，所涉及的技术原理简单，遥控效果显著。

尽管用于驱动无人机的马达间距较小，彼此之间几乎紧密相贴，但由于激光波长较强的依赖性，使得纳米马达可以实现单独的精准寻址，这也避免了两束不同波段激光同时照射于无人机表面进行驱动时，彼此之间可能存在的干扰作用。此外，与光镊技术不同，用于驱动微型无人机的光束采用了非聚焦的方式，避免了移动激光进行运动引导时大量冗余动作的引入。而圆偏振也一改传统线偏振驱动的动力来源进行了大胆的创新。在圆偏振光照射下，关于圆盘轴线呈对称分布的马达结构（如图4所示）会产生如图3所示的扭矩作用，对称的扭矩作用在带来动力的同时，也能引入有效的遥控，继而让无人机的动作变得灵敏迅捷。

图4 微型无人机的表征。(a)纳米马达的扫描电镜图；(b)光学显微图。

与真实的无人机类似，每个纳米马达所能为微型无人机提供的动力大小会受到光功率的限制，这种设计方式精简了本会复杂的转向结构，大大提升了微型无人机的可操作性和经济性。

图5 微型无人机的运动。(a)双马达驱动型；(b)四马达驱动型。

如图5所示，微型无人机在水中完成了的运动测试，运动轨迹被清晰记录。尽管单体体积仅为人类红细胞的三分之一，但该无人机在水中依旧表现出了强大的动力，并在与水分子的碰撞过程中依旧可以保持指定的运动方向进行移动，这便充分验证了该无人机在液态环境下的工作能力，也说明本研究具备较强的可靠性。

本工作在实验中为我们演示了一种由光进行驱动的微型无人机模型，这些微型无人机包含两个或四个数目不等的等离子体纳米天线，作为定向光散射的推力马达，首次实现了光致旋转器件在三个自由度上的控制。由于其结构及性能的特殊性，这种微型无人机也可能拥有许多潜在的应用，例如纳米传感器、纳米结构体组装、细胞治疗以及纳米物体的扫描探测等。同时，也可以通过集成更多的马达来对其运转实现更加精准的遥控。