复旦大学材料科学系课题组设计出具有超快响应和大弯曲角度的光波导微型驱动器

复旦大学研制出超快响应光波导微型驱动器，实现微生物精准操控

软驱动器技术在软夹具、人工肌肉和仿生系统等领域潜力巨大，其精准变形能力依赖于光、温度、磁场和电场等外部刺激。其中，光致驱动因其远程精确控制和波长、偏振及强度可调等优势备受关注。然而，传统基于自由空间光的驱动方式受限于光散射、吸收和折射等问题，难以在复杂环境中应用。

光纤作为柔性波导，提供低衰减的光传播路径，有效避免了介质界面带来的散射和折射。因此，基于光纤的光驱动器能够在以往难以触及的区域发挥作用，例如在弯曲导管内进行体内精准操作。

尽管光驱动器和光纤技术发展迅速，但二者的有效集成仍面临挑战。高性能光驱动器通常需要薄型结构以实现快速响应和大幅度变形，而现有集成方法往往要求驱动器与光纤尺寸相当，导致驱动器厚度达几十到几百微米，限制了其性能发挥。

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近期，复旦大学材料科学系崔继斋/梅永丰课题组突破性地利用薄膜自卷曲技术，将高性能超薄驱动器卷绕在锥形光纤波导尖端，成功研制出一种超快响应、大弯曲角度的光波导微型驱动器，并实现了对快速运动微生物的精准捕获。该研究成果已发表于《先进材料》（Advanced Materials）期刊。

图1. 光波导微型驱动器的系统设计及对衣藻和草履虫的精准捕获。

该研究采用水凝胶和纳米金薄膜双层异质结构的微驱动器，通过自卷曲方式将仅2微米厚的超薄驱动器固定在锥形光纤尖端（图1）。这种超薄水凝胶具有极低的弯曲刚度，并在相变过程中快速吸收和释放水分子，使光波导微驱动器在0.55秒内实现超过800°的大弯曲角度。凭借这一特性，该驱动器成功捕获了快速游动的衣藻和草履虫，实现了对微生物的精准操控，并展现了可编程的非往复运动能力，可有效非接触式操纵酵母细胞等。

这项研究为微尺度操作提供了多功能平台，在生物医学领域展现出广阔应用前景。未来，该光波导微驱动器可与纳米传感器集成，应用于微尺度生物细胞研究；或与导管技术结合，实现更复杂的体内微观操作。尤其是在封闭环境或无法进行自由空间光照明的条件下，该技术具有广泛的应用潜力。

论文第一作者为材料科学系博士生宗旸，通讯作者为崔继斋青年研究员。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助。

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