北理工李锋&华南理工李志远&中央民大郭红莲团队：用计算机程序控制激光，画一只“猪八戒”

激光沙画技术

近日，北京理工大学李锋教授联合华南理工大学李志远教授与中央民族大学郭红莲教授实现了一种激光沙画技术。采用该技术，激光可以在若干平方厘米的金属膜上产生振动，数秒到数十秒钟内，将数万颗微颗粒排列成预期的图案，该研究成果发布于《自然通讯》（Nature Communications）上。

光和声音不仅可以感知世界，还可以操控微小的颗粒，如细胞和生物组织，因此诞生了"光镊"和"声镊"技术。克莱尼使用克莱尼板演示了声波对颗粒的排布，而阿什金则利用激光聚焦光束实现对颗粒的捕获。然而，"光镊"和"声镊"技术各有其优劣之处。要想充分发展非接触操控技术，最理想的情况是能够兼具"光镊"的灵活性和"声镊"的操控性能，取长补短。

研究人员运用激光沙画技术成功实现了两种不同类型的沙画。第一种类型是阴文图案，通过移除线条部分的沙粒来实现；第二种类型是阳文图案，通过移除背景上的颗粒而保留线条上的颗粒来实现。在图1中可以清楚地看到，激光图案中的每条曲线都对应颗粒排列中的黑-白-黑线条，这些线条形成了一个猪八戒的阴文沙画。

图1 阴文图案的颗粒排布。猪八戒样式的目标图案（左）；由颗粒组成的猪八戒阴文沙画（右）

阳文图案的制作需要额外的步骤。以图2中的木棉花图案为例，需要移除绿色区域内的颗粒，保留构成花朵轮廓的白色区域的颗粒。为了实现阳文效果，图案会动态地变化，颗粒会随着激光的变化移动到指定位置。大约经过两分钟的处理，剩下的颗粒形成了如图2所示的木棉花阳文图案。通过计算机程序控制，还可以自由产生其它任意的图案。

图2 木棉花阳文图案。(a) 木棉花目标图像。(b) 木棉花阳文沙画最终结果。(c) 激光线条在去除外部颗粒时的变化。(d) 去除木棉花外部区域颗粒的过程。(e) 激光线条在去除内部颗粒时的变化。(f) 木棉花内部区域颗粒的图案化进程。

结论

激光沙画技术综合了光镊的灵活性和声镊的强大驱动力，为高效、高分辨率的微颗粒操控提供了一种方法，其潜在应用包括微粒组装和微型机器人制造等领域。研究团队基于这项技术设计了一种微型3D打印原型技术，可以逐层转移经过图案化的颗粒，并将其堆叠成三维结构。此方法还可应用于液体环境，能够实现细胞输运和旋转等操作，在生物医学领域具有广阔的应用前景。

论文信息

发布期刊Nature Communications

发布时间 2024年4月16日

文章标题Programmable photoacoustic patterning of microparticles in air

（https://doi.org/10.1038/s41467-024-47631-8）

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑