轻型驱动微米级电机和齿轮组

科学进步的历史常常以利用无关应用开发和扩展的技术、材料和工艺为标志。一个明显的例子是集成电路相关工艺技术如何催生微机电系统（MEMS）器件。

利用这些资源，瑞典哥德堡大学的一个团队将这些工艺和技术扩展，开发并评估了一种齿轮直径在微米级的轻功率微型电机和齿轮组。他们认为，这比大多数现有设计在约0.1毫米最小直径时“停滞”是显著的缩小。

迷你齿轮机械的挑战

什么是齿轮机械机？它可以定义为至少两个机械部件相互作用，形成一个能够产生和传递功的有机单元。这类微电机和机械系统的概念当然并不新鲜，但将它们整合进功能性微观、齿轮化的机构中仍然是一项重大挑战。

其他传统的静电驱动齿轮半导体制造方法受限于电连接器的需求，电连接器占据每个微电机周围较大空间，限制了微型化和并行化。虽然使用交流电、磁场和非相干光场等“远场”方法可以进一步微型化单个微电机，但这也带来了其他性能问题。

光学超曲面、Metarotor和激光

团队利用制造技术开发了带有光学超表面的齿轮机构，这些机构在均匀激光照射下工作。该微电机核心是一个中旋翼——包含中轴的环形结构——通过带帽柱牢固固定在玻璃芯片上（见图1）。

1. （a） 光学驱动微型电机的示意图，具有环形中转子，内含中转曲面，通过带帽柱固定于玻璃芯片上。（b–e）扫描电子显微镜（SEM）图像，记录微型马达制造过程（比例尺：5微米）：（b） 通过电子束光刻进行纳米加工的硅中介表面;内嵌镜头放大构成中介表面的超原子。（c） 刻蚀含有中超表面的SiO2环。（d） 中央柱和（e） 帽由SU-8微光刻制成。（f） 中层表面对光的偏转示意，导致中介表面受力方向相反。（g） 中介表面由四个不同方向的段组成。白色箭头表示在用线偏振光照射时对中旋翼施加的力。黑色箭头表示由此产生的逆时针旋转。（h） 光学显微镜图像（见补充视频1）中转旋翼在35 μW/μm2强度线偏振光束下的旋转。红线表示中旋翼外缘突出物的追踪。比例条：10微米。等直径（16微米）的中转子在线偏振平面光束照射下，其平均角速度随（i）超原子数和（j）激光光强度变化。阴影区域表示标准差。（k） 角速度与环与柱之间间隙大小的独立性。误差条表示每种条件中三次测量的标准差。（l） 不同间隙大小下，中转子位置沿x轴的概率分布。间隙越小，约束越大。

采用硅作为主要材料确保与标准光刻的兼容性，便于大规模制造。这种方法为齿轮功能器件的精确控制和移动创造了多功能平台，实现了微尺度和纳米级机械系统前所未有的能力。

研究人员在研究中表明，微观机器可以由光学超材料驱动——这些小型、有图案的结构能够在纳米尺度上捕获和控制光线。利用传统光刻技术，带有光学超材料的齿轮是直接在微芯片上用硅制造的，齿轮直径为几十微米（常用的人类头发平均直径为70微米，但范围在20到180微米之间）。

通过激光照射超材料，研究人员可以让齿轮旋转，甚至驱动和控制齿轮组（见图2）。

2. （a–d） 作为驱动齿轮的超旋翼（b–d）的扫描电子显微镜图像（顶部面板）和光学显微镜图像（底部面板）。中转子的转动由红色箭头表示，驱动齿轮的转动由白色箭头表示。（e） 驱动齿轮（ωm）与驱动齿轮（ωp）之间的角速度平均比取决于它们直径的比值。（F–H）单一驱动齿轮驱动一列相同直径的被动齿轮的SEM图像（顶部面板）和光学显微镜图像（底部面板）：（f） N = 3，（g） N = 4，以及（h） N = 5个相同直径的齿轮（包括驱动齿轮）。 （i） 被动齿轮的角速度ω = ωm = ωp与齿轮组中齿轮数N的关系。虚线表示ω/N。（e）和（i）中的误差条代表每种条件三次测量的标准差。比例杆：10微米。

激光光的强度控制速度。也可以通过改变光的偏振来改变齿轮方向。此外，齿轮还可以作为将旋转转换为线性运动（见图3）、执行周期性运动以及控制微观镜面以偏转光线的装置的一部分。

3. （a， e， i） 三种齿条小齿轮元机设计的示意图，用于将中转旋翼产生的旋转运动转换为线性运动。可动齿条和小齿轮以蓝色表示，而固定部分则以绿松石色表示。金属表面段以红色和黄色高亮显示。在照明下，驱动齿轮和齿条所受的力分别用白色和黑色箭头表示。（b，f，j）对应的扫描电子显微镜图像，以及（c， g， k）光学显微镜图像。（d） 小齿轮中转子配备了一个中介曲面，设计使得左旋和右手圆偏振光的旋转方向不同，使机架在右旋圆偏振下实现前进运动，在左旋圆偏振下实现后退运动，从而通过改变光的圆偏振实现动态来回运动。（h） 为齿条和小齿轮配备超曲面，允许在恒定线偏振光下实现振荡齿条运动。小齿轮有一个齿，啮合时齿轮齿条周期性向左移动，而齿轮齿条的中曲面则向右移动，模拟宏观弹簧。平衡两个超曲面的力可实现线偏振光下的振荡轨道运动。（l） 相同的齿条和小齿轮设计可以周期性移动金色镜子（（i）中以金黄色示意），改变（i）和（k）中白色方框中平均透射光量（l）。比例杆：10微米。

深入探讨耐用性

研究人员还调查了一个合理但容易被忽视的问题——运动耐久性。虽然芯片尚未达到长期稳定性的最佳封装，但电机在持续照明下可持续运行长达11小时。此外，即使照射11小时并储存长达六个月，它也不会发生结构劣化

然而，当电机处于稳态驱动模式时，其转速会逐渐降低，最终电机停止。这很可能是由于溶液环境的变化（如局部界面活性剂重新分布和杂质积累）导致电机-基板界面摩擦增加所致。

不过，经过轻微清洁和溶液交换后，电机可以恢复转动。这表明这些影响是可逆的，而非腐蚀性的，可以通过改进包装和液体处理来减轻。