基于模型预测控制的热粘性流体的光学微操纵技术及其在精密组装中的应用

这篇研究论文创新性地提出了一种基于模型预测控制（MPC）和随机优化的热粘性流体（thermoviscous flows）光学微操纵技术。通过建立完整的二维流场解析模型，研究团队实现了对多个微米级颗粒（microparticles）的亚微米级精确定位（sub-micrometer alignment），克服了传统基于规则的方法在密集排列时出现的水动力耦合（hydrodynamic coupling）问题。该技术为微组装（microassembly）、微制造（micromanufacturing）和生命科学研究提供了新的工具。

　　

光学微操纵技术的新突破：热粘性流体的智能控制

引言

高精度微米级颗粒操纵技术在生命科学和纳米技术领域具有重要意义。传统的光镊（optical tweezers）、光电子镊（optoelectronic tweezers）和磁镊（magnetic tweezers）等技术存在材料依赖性、操作范围有限等问题。本研究提出了一种基于红外激光（1455 nm）诱导热粘性流体的新型微操纵方法，通过模型预测控制实现了多颗粒的精确排列。

模拟研究：热粘性流体通过模型预测控制实现颗粒排列的可行性

研究团队首先建立了完整的二维流场解析模型，该模型显示流体速度在远场按1/r²衰减。通过随机搜索算法，系统能够自动选择合适流场来优化全局目标函数（global objective function），即颗粒与目标位置的均方根（RMS）距离。在模拟中，即使对9个颗粒组成的3×3密集网格排列，该方法也能稳定收敛，避免了传统方法中常见的水动力耦合不稳定问题。

包含颗粒间相互作用的优化目标函数

研究创新性地在目标函数中加入了基于Lennard-Jones势的排斥项，有效防止了模拟中颗粒的碰撞。这种混合目标函数考虑了所有颗粒对的间距，确保在排列过程中保持最小距离。值得注意的是，模拟结果表明热粘性流场本身已足以实现精确操纵，无需依赖其他热效应。

实验验证：在真实条件下的成功排列

在实际实验中，研究团队使用3微米聚苯乙烯（PS）颗粒在水-甘油混合物的5微米薄室中进行验证。通过反馈循环（feedback loop）和速度缩放因子（empirical factor）校正，成功实现了颗粒的亚微米级定位（约350 nm精度）。实验还发现，随着排列进程，激光扫描路径会自发地远离被操纵颗粒，这种"远程作用"策略（action at a distance）利用1/r²的速度衰减特性实现了更精细的控制。

复杂颗粒排列中的稳定控制

与传统基于规则的方法相比，新方法在处理9个颗粒的密集网格排列时表现出更好的稳定性，最终定位精度达到1.2-1.5微米。这突破了传统微流控Hele-Shaw腔体最多操纵6个颗粒的理论限制，展示了该方法在多颗粒操纵方面的优势。

结论与展望

这项研究首次将热粘性流体的解析模型应用于胶体颗粒的增强操纵，标志着从基于规则的方法向基于目标函数的描述的转变。该方法不仅避免了直接激光暴露，还能通过设计目标函数实现多种附加约束。未来通过缩短反馈采样周期（目前1.67秒）和采用更先进的优化算法，有望实现纳米级精度。这项技术在细胞操纵、细胞-病原体相互作用研究和微流控系统接口等领域具有广阔应用前景。

技术细节亮点

实验系统采用1455 nm红外激光通过声光偏转器（AOD）进行快速扫描，配合水浸物镜（WI lens）实现精确控制。目标函数优化采用匈牙利算法（Hungarian algorithm）进行颗粒-目标配对，并通过多线程并行计算加速处理。样品制备方面，使用含0.3% Tween 80的60%甘油水溶液防止颗粒粘附，并通过5微米荧光颗粒校准腔室高度。

这项研究为光学微操纵领域带来了重要突破，其基于物理模型的智能控制方法为未来的微纳制造和生命科学研究开辟了新途径。