OFG: миниатюрный светоуправляемый роботизированный захват для микроманипуляций

Уже более 35 лет исследователи используют оптические пинцеты — технологию, позволяющую работать с микроскопическими объектами путем использования сфокусированного лазерного луча. Однако подобные системы способны развивать силы лишь порядка пиконьютонов, чего достаточно только для манипулирования очень маленькими и правильными по форме объектами. Исследователи из Университета науки и технологий Китая предложили альтернативный подход — Optical Fiber Gripper (OFG), который представляет собой миниатюрный светоуправляемый роботизированный захват, полностью размещённый на торце стандартного оптического волокна.

В основу OFG положена биоинспирированная конструкция, напоминающая строение живого организма. Оптическое волокно выполняет роль нерва, передавая световой сигнал, термочувствительный гидрогель служит искусственной мышцей, а жёсткий полимерный каркас (фоторезист) — скелетом, на котором закреплен трехпальцевый захват.

Работа устройства основана на фототермическом эффекте. В состав гидрогеля PNIPAM (poly(N-isopropylacrylamide)) встроены серебряные наночастицы. Сам по себе гидрогель представляет собой полимерную сетку, способную удерживать большое количество воды между своими молекулярными цепями. При комнатной температуре материал находится в «набухшем» состоянии, поскольку его структура активно связывает молекулы воды.

Когда по оптическому волокну проходит лазерный луч ближнего инфракрасного диапазона (808 нм), серебряные наночастицы начинают интенсивно поглощать световую энергию. На физическом уровне это сопровождается возбуждением коллективных колебаний свободных электронов в наночастицах (локализованный поверхностный плазмонный резонанс). По мере затухания этих колебаний поглощённая энергия преобразуется в тепло, быстро нагревая окружающий гидрогель.

Ключевую роль играет то, что PNIPAM обладает нижней критической температурой растворения (LCST) около 32 °C. Пока температура ниже этого значения, гидрогель гидрофилен и удерживает воду внутри своей структуры. Однако после нагрева выше 32°С молекулярные связи с водой разрушаются: гидрогель становится гидрофобным, вода быстро выходит из его полимерной сетки, а объём материала резко уменьшается. Именно это сокращение искусственной мышцы приводит к перемещению жёстких элементов конструкции, а впоследствии заставляет трёхпальцевый механизм раскрываться.

После отключения лазера серебряные наночастицы перестают нагреваться, гидрогель охлаждается ниже температуры фазового перехода, вновь начинает активно поглощать воду из окружающей среды и возвращается к первоначальному объёму. При расширении гидрогеля трехпальцевый захват снова смыкается, надёжно удерживая объект. Таким образом, единственным управляющим сигналом является свет, передаваемый по обычному оптическому волокну.

Сам OFG изготавливается непосредственно на торце коммерческого оптического волокна методом двухфотонной полимеризации — разновидностью сверхточной 3D-печати. Габариты устройства составляют всего 38 × 38 × 61 мкм, что примерно в двадцать раз меньше диаметра стандартных биопсийных щипцов. Несмотря на столь миниатюрные размеры, микрозахват развивает усилие до 4,9 мкН, обладает рекордным отношением силы к массе 340 мкН/мг, а его время отклика составляет 76,7 мс, позволяя устройству выполнять до пяти циклов захвата в секунду.

В ходе экспериментов устройство успешно манипулировало непрозрачными частицами сложной формы, выполняло сборку миниатюрных механических узлов с микрометровой точностью, переносило отдельные клетки человека практически без их повреждения, а также работало внутри стеклянных капилляров диаметром 300 мкм.

Благодаря высокой силе захвата OFG способен работать с объектами, недоступными классическим оптическим пинцетам. По мнению исследователей, миниатюрные светоуправляемые захваты могут найти применение в одноклеточной биологии, малоинвазивной хирургии, высокоточной биопсии, тканевой инженерии, сборке микромеханических устройств и роботизированных эндоскопических систем.

Полная научная статья доступна на Nature.