光纤触觉夹持器：感知与驱动一体化的仿生微操作新策略

《Nature Communications》：A tactile gripper on an optical fiber for perception and actuation

为解决软体微机器人缺乏实时力反馈能力的瓶颈问题，研究人员受博比特虫启发，在单模光纤尖端集成波簧Fabry-Perot干涉传感器与pH响应智能夹爪，开发出兼具微力感知（灵敏度达-0.32 nm/μN）与动态操控功能的一体化系统。该TGoF系统成功应用于微物体分选、斑马鱼受精卵杨氏模量测量（约0.103 MPa）等场景，为生物医学微操作提供了新范式。

　　

在生物医学和精密制造领域，能够在微观尺度执行复杂任务的微机器人正展现出巨大潜力。然而，现有软体微机器人虽能实现可控形变，却普遍缺乏实时力反馈能力，这严重限制了其在精细操作（如细胞操纵、微创手术）中的精准度和安全性。就像外科医生在看不见的情况下进行手术需要触觉反馈一样，微机器人也需要感知与环境的相互作用力。此外，将感知和驱动功能集成在微型化平台上，尤其是像光纤这样尺寸极小的载体上，面临着巨大的技术挑战。

为了解决这一难题，发表在《Nature Communications》上的这项研究，从一种名为博比特虫的海洋生物中获得了灵感。这种没有眼睛和大脑的蠕虫，能通过其头部的触角感知猎物的机械和化学信号，并迅速发起攻击。受此启发，研究团队旨在开发一种集成了感知和驱动功能的“机器人-on-a-fiber”系统。

研究人员利用飞秒激光双光子聚合（Two-photon photopolymerization, TPP）这一先进的微纳加工技术，在单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF）的尖端精巧地构建了一个多功能微系统，称为光纤触觉夹持器（Tactile Gripper-on-a-Fiber, TGoF）。该系统核心包含一个作为力敏元件的波簧（Wave Spring）Fabry-Perot（F-P）干涉传感器，以及一个由pH响应的牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin, BSA）水凝胶作为“肌肉”、SU-8光刻胶作为“骨骼”的智能夹爪。波簧能将微小的作用力转化为自身拉伸或压缩，从而改变F-P腔的长度，通过监测干涉光谱的移动即可实现微牛顿（μN）量级力的高灵敏度检测。同时，BSA肌肉在酸碱性环境中会发生可逆的溶胀与收缩，从而驱动SU-8夹爪实现抓取与释放动作。这种将传感与执行器集成于光纤尖端的设计，实现了感知与驱动的一体化。

为开展研究，作者主要采用了以下关键技术方法：通过TPP技术进行SU-8和BSA材料的原位3D微纳结构打印；利用自建的微力标定系统对波簧传感器进行性能表征；采用有限元模拟（COMSOL）分析波簧的力学性能；构建微流控芯片平台以实现pH环境的精确快速切换；并使用光学频谱解调器实时监测F-P干涉光谱的变化。研究中涉及的斑马鱼受精卵为固定后的样本。

设计、工作机制与TGoF系统的制造

研究受博比特虫启发，设计了TGoF系统。其核心是在SMF尖端依次集成圆形基底、用于微力检测的波簧（兼作F-P干涉腔）、带散射锥的平面反射器（抑制杂散光干扰）以及pH响应夹爪。通过多次原位TPP加工实现了复杂三维结构的制造。波簧能将微应力转化为可检测的形变，从而通过F-P腔长变化测量微力。智能夹爪采用SU-8框架和BSA肌肉的协同设计，BSA在其等电点（约4.7）附近收缩，在偏离等电点的pH环境下因静电斥力而溶胀，从而驱动夹爪动作。

波簧的力学模拟

通过有限元模拟分析了波簧的力学性能。模拟表明，在相同载荷下，波簧在拉伸和压缩状态下的位移一致。波簧带的厚度（t）是影响灵敏度的关键参数，厚度越小（如t<1 μm），灵敏度越高，但机械强度会下降。最终选择带厚1 μm、带宽5 μm的6层波簧以平衡灵敏度与稳定性。模拟还探讨了层数和扭矩的影响。

微力传感

实验制备了三种不同带厚（WS-1: 1 μm, WS-2: 1.5 μm, WS-3: 2 μm）的波簧传感器进行测试。利用自建的基于光纤悬臂的微力发生器进行标定。结果表明，随着压缩载荷增加，F-P干涉光谱发生蓝移。WS-1的灵敏度最高，达-0.32 nm/μN（测量范围0-42 μN），WS-2和WS-3的灵敏度分别为-0.10 nm/μN和-0.03 nm/μN，证实灵敏度随带厚增加而降低。研究还评估了拉伸过程的灵敏度、不同pH溶液环境下的灵敏度变化以及传感器的循环耐久性（200次循环）。

夹爪的驱动

为实现机器人化操作，在波簧传感器上集成了由SU-8框架和BSA肌肉组成的智能夹爪。通过优化TPP加工中的扫描间距（Scanning Spacing, SL）来调控BSA网络的密度和溶胀性能。研究发现，SL为150 nm时，夹爪在pH=13的碱性条件下能有效闭合。集成后的TGoF系统在微流控芯片中展示了可控的开合动作，响应时间约1.4秒。通过夹持一个Y形结构并模拟其受力，估算出夹持力约为1.5 μN。耐久性测试表明夹爪可稳定工作200个循环。

TGoF系统的操作

为展示其协同感知与驱动能力，TGoF系统成功执行了多项操作：1) 微物体分选：将不同形状的微构件抓取并放入对应容器；2) 微积木柔性组装：在抓取微型城堡屋顶时，实时监测并记录了连接丝断裂瞬间的拉力（约127.7 μN）；3) 仿生协同捕猎：模拟博比特虫，设定微力阈值（80 μN），当鱼模型触碰达到阈值时，系统自动触发pH切换使夹爪闭合捕获“猎物”，并实时监测后续拉扯过程中的张力变化。

TGoF系统的概念验证应用

为避免酸碱性环境在生物医学应用中的限制，设计了可替换的基于夹爪的微探针。传感微探针可在生理环境（pH=7）下工作，探针头可在碱性溶液中更换。应用包括：1) 测量斑马鱼受精卵的杨氏模量：通过微探针压痕实验，结合赫兹接触模型，测得受精卵的杨氏模量约为0.103 MPa。2) 监测青鳉鱼胚胎的胎动：成功探测到胚胎的心跳和旋转等活动引起的微力信号波动。BSA水凝胶和SU-8的低免疫原性和细胞毒性为其生物医学应用提供了可能性。

研究结论与讨论部分强调，这项工作通过仿生设计和多材料TPP集成制造，成功在光纤尖端实现了感知与驱动的协同，突破了现有微机器人或光纤器件功能单一的局限。TGoF系统在微力传感灵敏度、动态操纵和生物相容性方面展现出优势，为未来在微创手术、细胞操作、生物传感等领域的智能微系统开发提供了新思路。尽管在量产、重现性和机械强度上相较于传统硅基MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）存在挑战，但TPP技术在制造复杂三维结构和生物兼容界面方面的独特优势，使其有望成为硅基MEMS的有力补充，推动智能微系统在多学科领域的发展。