双光子灰度光刻微纳加工技术全领域应用速递6

计算光学，即利用计算机来设计和优化光学元件，近年来取得了长足的进步。与传统的光学设计相比，计算光学赋予了研究者更大的设计自由度，从而实现超越传统光学器件的先进功能和卓越性能。然而，现有的计算光学设计方法常常忽略了制造过程的数值模拟，这可能导致设计出的光学元件与实际制造出的产品之间存在显著的性能偏差。

由麻省理工学院的 Cheng Zheng 和香港中文大学的 Guangyuan Zhao 及麻省理工学院的 Peter T. C. So 教授共同发表在SIGGRAPH Asia上发表了文章，其研究旨在解决计算光学领域中设计与制造之间长期存在的差距。研究团队首次提出了一个完全可微的设计框架，将预训练的光刻模拟器集成到基于模型的光学设计循环中。通过结合物理模型和数据驱动训练，利用实验收集的数据集，光刻模拟器在设计过程中充当了制造可行性的调节器，有效地补偿了光刻过程中引入的结构差异。

这项研究的核心在于一种名为“Real2Sim”的方法，它能够从真实的2.5D原子力显微镜（AFM）测量数据中学习，构建高保真的神经光刻模拟器，从而准确地模拟真实世界的光刻系统。与传统的“Sim2Sim”方法不同，“Real2Sim”方法更具适应性和准确性，可以直接从真实世界的数据中学习，从而更精确地数字化光刻系统。团队使用基于双光子聚合技术的光刻系统在光刻胶上制造三维结构，并通过原子力显微镜（AFM）进行测量，收集了用于训练的数据集。

中国科学院沈阳自动化研究所的机器人学国家重点实验室的李文荣教授团队在Chemical Engineering Journal上发表了论文，该团队成功开发了一种具有集成虹彩表面的趋化微型机器人，该机器人能够在微米尺度上实现驱动、感知和无线通信功能的集成。

微型机器人在生物医学工程、微操作/组装和药物输送等领域具有广阔的应用前景，然而，实现具有驱动、感知和无线通信能力的亚毫米级集成微型机器人仍然是一个挑战。研究团队提出了一种在微米尺度上成功制造趋化微型机器人的方法，该机器人集成了虹彩结构色表面，可用于通过光学跟踪实现机器人运动控制。他们利用Nanoscribe公司的Photonic Professional GT2系统这种先进的双光子聚合3D打印设备，以极高的精度在微纳米尺度上构建了具有复杂几何形状和功能的微型机器人。研究人员采用pH响应性生物聚合物作为载体，创造了具有双层关节的微型机器人，模拟节肢动物的驱动特性。通过生物聚合物相变阈值触发的可逆膨胀实现机器人的驱动。他们还巧妙地在机器人表面集成了具有结构色功能的仿生微结构，作为光学通信皮肤。通过将体积应变转换为颜色变化来获取机器人的几何状态和姿态信息，实现了机器人在运动过程中的状态感知和反馈。

这项研究的成功，不仅为微型机器人的发展带来了新的机遇，也为其在生物医学领域的应用开辟了更广阔的前景。未来，我们期待这项技术能够在医疗诊断、治疗和药物输送等方面发挥重要作用，为人类健康带来更多福祉。

法国里尔大学的 Marc Douay 及其团队在开发了一种名为 "Solmers" 的创新型混合树脂，它将有机丙烯酸酯树脂与通过溶胶-凝胶法制备的 SiO2 基溶胶相结合，为纳米级 3D 打印二氧化硅基光子元件提供了新的可能性。

二氧化硅基玻璃因其卓越的性能在光子学等众多领域中扮演着重要角色。然而，传统制造方法在实现下一代小型化、高性能光学元件方面仍面临挑战。因此，开发一种新型 3D 打印技术，以克服现有方法的局限性，实现高分辨率、低收缩率、可掺杂且具有良好光学性能的二氧化硅基光子元件的制造，成为迫切需求。Douay 团队创造性地提出了一种名为 "Solmers" 的混合树脂，它结合了有机丙烯酸酯树脂和通过溶胶-凝胶法制备的 SiO2 基溶胶。这种树脂的粘度和收缩率可调，且能均匀掺杂各种元素，如锗和稀土元素，为 3D 打印提供了极大的灵活性。通过Nanoscribe双光子聚合（2PP）技术，团队利用 Solmers 树脂在熔融石英基底或标准光纤上实现了 23 nm 分辨率的 3D 打印，大幅超越了现有技术的极限。此外，经过优化的烧结工艺，打印出的二氧化硅玻璃结构具有极低的表面粗糙度（Ra < 0.2 nm），满足了光学元件的苛刻要求。FTIR 和拉曼光谱分析证实了这些结构的非晶态，保证了其光学质量。

内窥镜检查作为一种新兴的体内诊断技术，利用各种显微镜方法提供高分辨率的组织结构和分子信息。然而，不同显微镜技术之间往往存在成像特性上的巨大差异，这给多模态内窥镜检查带来了挑战。例如，光学相干断层扫描（OCT）需要低数值孔径（NA）光学器件以实现深层组织穿透，而非线性显微镜则需要高 NA 光学器件以实现高分辨率成像。传统内窥镜难以同时满足这些不同的需求。

为了解决这一挑战，德国弗莱堡大学微系统工程系（IMTEK）的 Aybuke Calikoglu 和 ?aglar Ataman 所在团队在Advanced Fuunctional Materials上发表了论文。他们利用 Nanoscribe双光子3D 纳米打印技术，成功开发出一种新型双稳态微透镜致动器，为可重构微光学系统带来了突破性的进展。这项技术以其高精度、设计灵活性和单片制造能力，为微光学器件和微致动器的集成制造开辟了新的可能性。与传统的拾放组装方式相比，3D 纳米打印能够直接制造出光学元件和机械结构一体化的器件，避免了复杂的组装过程和潜在的装配误差。