光学超表面驱动的微米级齿轮超机械：突破微纳传动系统尺寸极限的新范式

研究人员针对传统微机械尺寸难以突破0.1mm的瓶颈，创新性地利用光学超表面（metasurface）驱动微米级齿轮系统。通过标准光刻技术制造直径小至8μm的"超转子"（metarotor），实现亚微米级精度的运动控制，成功构建可转换旋转/线性运动的齿轮组和齿条机构。该技术无需电磁组件，仅需平面光波激发，为微流控、光学调控和生物操纵等领域提供了CMOS兼容的新型微机械平台。

　　

在微纳技术领域，机械系统的微型化始终面临根本性挑战——传统齿轮传动装置受限于驱动和耦合系统的复杂性，三十年来尺寸始终卡在0.1mm门槛。这种尺寸限制严重制约了微流控芯片、光学调控系统和生物微操纵等领域的发展。现有电磁驱动方案需要复杂的外部场调控，而光镊等技术又受限于聚焦光束的操控范围。如何实现可集成、可并行控制且无需复杂外接部件的微机械系统，成为困扰研究人员的核心难题。

这项发表于《Nature Communications》的研究提出革命性解决方案：利用光学超表面将平面光波转化为机械动力。研究团队设计出由硅基超表面构成的"超转子"，其核心是由非对称硅纳米块组成的"超原子"（meta-atoms）阵列。当1064nm平面光波照射时，通过动量守恒原理产生可控扭矩，驱动直径仅8μm的转子旋转。这种设计巧妙规避了传统电磁驱动需要的连接部件，使微机械尺寸突破历史极限。

关键技术包括：1）电子束光刻制备亚波长间隙（50nm）的硅超原子阵列；2）等离子体增强化学气相沉积（PECVD）构建SiO₂支撑环；3）SU-8光刻胶微加工形成锚定支柱；4）氯气反应离子刻蚀（Cl₂ RIE）释放可动部件。所有工艺均与标准半导体制造流程兼容，可在5×5mm芯片上集成数万微型驱动器。

【Micromotors powered by optical metasurface】

研究团队通过四象限超表面设计实现光的定向散射，每个象限的纳米结构排列方向相差90°，在均匀线偏振光照射下产生非零力臂（r），形成τ=r×F的净扭矩。实验显示转子角速度（ω）与光强（12.7-88.5μW/μm²）呈非线性关系，最高产生36pN·μm扭矩。通过调节超原子数量（270×200×460nm与400×200×460nm硅块组合）可精确控制转速，能量转换效率达10^-14量级。

【Gear trains powered by metarotors】

将超转子改进为带齿的"超齿轮"（metagear）后，成功驱动被动齿轮组。实验验证角速度符合ω_p=(D_m/D_p)ω_m的传动比规律，实现扭矩放大或增速功能。多齿轮联动时转速衰减快于1/N理论值，揭示微尺度下接触面摩擦的显著影响。

【Controlling the metarotor rotation velocity and direction】

通过设计超表面手性结构，实现光偏振态对转子的双向调控：线偏振光驱动顺时针旋转的转子在右旋圆偏振光下加速（+SAM），左旋偏振下减速；而镜像对称设计的转子则呈现相反响应。组合设计更实现偏振切换驱动的正反转切换，为动态控制提供新范式。

【Responsive metamachines transferring rotational to linear movement】

最具突破性的是齿条-齿轮微型机械：通过圆偏振光切换驱动齿条双向运动（位移幅度达数十微米），或在线偏振光下通过超表面齿条与单齿转子的力平衡实现自主振荡。该技术成功应用于微镜阵列操控，实现光路动态调制。

这项研究开创性地将光学超表面与微机械融合，突破传统微驱动尺寸极限的同时，展现出三大革命性优势：CMOS工艺兼容性使晶圆级量产成为可能；平面光波驱动避免复杂外场调控；亚微米级运动精度为微流控、生物操纵和自适应光学开辟新途径。未来通过引入相变材料（如VO₂）或优化齿轮渐开线轮廓，可进一步提升系统性能。特别值得注意的是，1064nm激光的生物兼容性使该技术有望应用于细胞操纵等生物医学领域，实现"光机械镊子"的创新应用。这项研究不仅解决了微机械领域长期存在的尺寸瓶颈，更为发展可编程微纳功能系统提供了全新平台。