光驱动微型齿轮问世：芯片级机械新突破，前景广阔但应用仍远

研究人员成功开发出一种完全依靠光驱动的微型机器，配备可运转的齿轮、齿条和小齿轮，这是纳米级机械领域的一次里程碑式突破。这项成果发表于《自然》杂志，首次在微米尺度上实现了功能性“齿轮系”的组装，并以光子代替传统马达或电线作为动力源。 这些装置采用标准半导体制造工艺，通过光刻技术蚀刻在芯片上。当受到光照时，图案化的超表面会改变光子动量，将其转化为微小扭矩，从而驱动齿轮旋转。系统不仅包含旋转部件，还整合了将旋转转换为线性运动的齿条齿轮结构，可通过调节光的偏振或超表面几何形状灵活控制方向与速度。 在实际应用方面，若技术成熟，光驱动微电机可在邮票大小的诊断实验室中泵送试剂，在超紧凑相机中控制镜片，或开启药物输送植入物中的阀门，所有操作均无需电池或电线。在数据中心，大规模齿轮系统可动态重构光学电路，提升芯片间激光信号传输效率。生物医学研究中，微型光机械臂有望精确操控单个细胞或蛋白质，完成当前昂贵仪器才能实现的任务。 然而，当前技术仍处于概念验证阶段。其能量转换效率仅为光能的十万亿分之一，产生的扭矩极其微弱，旋转缓慢，且对光照精度与环境稳定性要求极高。热效应可能导致器件漂移或损坏，摩擦、磨损与污染等问题亦难以避免。 尽管如此，这一成果具有深远意义。长期以来，微米级机械与光学系统的集成面临工程难题：电子执行器需布线，化学与磁驱动则与芯片制造工艺不兼容。光驱动提供了一种非接触式解决方案，证明了光子可作为微型机械的动力源，即使效率低下，仍具备连接机械运动的潜力。 从制造角度看，该技术与现有半导体代工厂工艺高度兼容，使用常见材料，理论上可像添加新电路一样集成至各类微型系统中。未来或可实现集光学、机械与生物功能于一体的多功能芯片平台。 要迈向实用化，仍需克服多重挑战：光子动量微弱，高强度激光易引发加热；齿轮齿需原子级精度，极易受缺陷影响；长期运行寿命、重复性与控制精度尚不明确。目前，这些元机器更应被视为可能性的精妙演示，而非现成组件。 但在纳米科技领域，每一次微小进步都可能孕育巨大变革。利用光束编织运动的微型工厂愿景虽仍遥远，却已不再是空想。这一突破为下一代芯片级机械开辟了全新路径，预示着光与力融合的未来图景。