突破極限！科學家打造「比頭髮還細」光驅動微型齒輪 成革命性醫療工具

記者彭夢竺／編譯

科學家們利用雷射光取代傳統機械結構，成功建造出比人類頭髮還要小的微型齒輪。這些微型齒輪不僅能旋轉、改變方向，甚至能為微小機器提供動力。這項突破性進展，有望很快帶來能在細胞層級運作的革命性醫療工具。

瑞典哥德堡大學（University of Gothenburg）的研究人員，成功製造出微米尺度的光驅動齒輪，為史上最小的晶片上微型馬達鋪平了道路，其體積可容納在一根髮絲之內。

從時鐘、汽車到機器人和風力發電機，齒輪無處不在。30多年來，研究人員一直試圖製造更小的齒輪來構建微型引擎，但進展停滯在0.1毫米（100微米），因為無法再將驅動它們所需的傳動裝置做得更小。

哥德堡大學等機構的研究人員現已打破這一障礙，他們放棄了傳統的機械傳動裝置，轉而直接使用雷射光來啟動齒輪。

調控光線極化 輕鬆控制微馬達轉速與方向

在這項新研究中，研究人員展示了微觀機器可以由光學超材料（optical metamaterials）驅動，這是一種微小、具圖案的結構，可以在奈米尺度上捕獲和控制光線。

他們利用傳統微影技術，將帶有光學超材料的齒輪直接製造在微晶片上，齒輪直徑只有數十微米。透過向超材料照射雷射光，研究人員就能讓齒輪旋轉起來。雷射光的強度控制著齒輪的速度，同時，透過改變光的偏振（polarization），也能輕鬆改變齒輪的旋轉方向。

這項成果使研究人員離創造微型馬達的目標更近一步。

新思維突破尺寸瓶頸 整合於「晶片實驗室」

「我們構建了一個齒輪傳動鏈，其中一個光驅動齒輪啟動了整條傳動鏈的運動。這些齒輪還可以將旋轉運動轉換為線性運動，執行週期性移動，並控制微型鏡面來折射光線，」該研究的第一作者、哥德堡大學軟物質物理學研究員王剛（Gan Wang，音譯）表示。

能夠將此類機器直接整合到晶片上並以光驅動，開闢了全新的可能性。由於雷射光不需要與機器有任何實體接觸且易於控制，因此微型馬達可以擴展成複雜的微型系統。

王剛說：「這從根本上改變了我們對微米尺度機械學的思考方式。透過用光取代笨重的連接裝置，我們終於能夠克服尺寸上的障礙。」

尺寸與人類細胞相當 有望應用於醫療泵浦

隨著這些進展，研究人員開始設想微型和奈米機器，它們可以控制光線、操縱微小顆粒，或被整合到未來的「晶片實驗室」（lab-on-a-chip）系統中。一個齒輪可以小到16至20微米，這與人類細胞的大小相當。

王剛相信，醫學是一個觸手可及的應用領域。「我們可以將新的微型馬達用作人體內的泵浦（pumps），例如調節各種液體流動。我也正在研究它們作為開關閥門（valves）的功能。」

資料來源：ScienceDaily