撰文丨王聪
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
从组装微型器件到探测单个细胞，能够在微米尺度上操控物质的能力，在生物学、医学和微工程领域都至关重要。然而，一直以来，研究人员都面临一个难以抉择的权衡——光镊利用光束操控物体，精度极高，但所能施加的力非常有限；而机械微镊虽然能施加更强的力，但却缺乏精细度，且难以微型化。
近日，安徽大学/中国科学技术大学吴东教授，香港中文大学张立教授，中国科学技术大学胡衍雷教授、汪超炜教授及合肥工业大学张晨初副研究员作为共同通讯作者（安徽大学潘登博士为论文第一作者），在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Optical fibre gripper for high-performance 3D micromanipulation 的研究论文，该论文还被选为期刊封面论文，这也是安徽大学的首篇Nature论文。
该研究提出了面向纤基集成器件的飞秒激光复合制造方法，在商用光纤端部构建了一种三维光纤微镊（3D OFG），实现了微米尺度目标的高精度、低损伤与可编程三维操控，展示了抓取单个细胞、组装微型齿轮，以及深入胆管进行活检取样等应用，为我们打开了一扇通往微观世界精密操控的大门。
操控微米级物体并非易事。光镊利用高度聚焦的光束移动物体，虽然精度极高，但施加的力非常微弱。而机械镊子依靠更传统的手段夹持和移动物体，虽能施加更大的力，却缺乏光镊的精确性。在这项新研究中，吴东团队等展示了一种结合两者优势的三维光纤微镊，他们设计出一种仅宽 38 微米的机械微钳，并通过光进行控制。一根光纤将激光传递至连接在刚性聚合物钳上的热敏水凝胶，当激光开启时，会加热嵌入水凝胶中的银纳米颗粒，导致水凝胶收缩，从而打开微钳。借助这种三维光纤微镊，研究团队成功操控了单个细胞（封面图片所示）以及不规则的微小物体，该设备可用于组装微型器件，以及在狭小空间内采集样本。
研究团队所面临挑战的核心在于尺寸与力之间的权衡，光镊利用高度聚焦的光束操控物体，能够以极高的精度施加皮牛顿（pN）级的力（1 皮牛顿为 1 牛顿的 1 万亿分之一），因此非常适合操控分子或较重且形状规则的透明颗粒。然而，许多需要在微米级操控的目标并不满足这些条件。传统的用于操控微小物体的微镊可通过气动、磁性或机械方式驱动，能够施加更大的力，但这类装置通常具有毫米级尺寸，并配备复杂的外部控制系统，这大大限制了其在狭小或精密环境中的应用。
一直以来，研究人员尝试结合光镊和机械微镊的优点，以开发能够响应光纤信号的机械微镊。然而，以往的微镊设计，无论是基于机械结构还是光纤技术，通常都受到操作灵活性差、输出力小以及响应速度慢等限制。
在这项新研究中，研究团队通过仿生设计克服了上述局限，开发了一种三维光纤微镊（3D Optical Fibre Gripper），其模拟了神经、肌肉和骨骼的功能三元结构——传输光信号的光纤作为“神经”；含有银纳米颗粒的热响应性水凝胶作为“肌肉”；而刚性的聚合物微爪则构成抓取物体的“骨骼”。这一概念框架不仅仅是一种类比，还能实现远超光镊所能达到的快速信号传递和更大的机械力。
仿生神经-肌肉-骨骼结构设计的三维光纤微镊
该光纤微镊通过飞秒激光双光子聚合 3D 打印技术，直接在商用多模光纤的端面上一次性制造完成，其尺寸仅为 38×38×61 微米（μm），比大多数现有的集成于光纤中的微镊小得多。
该光纤微镊的抓取机制设计精巧而简洁：近红外光通过光纤传输并照射到含有银纳米颗粒的水凝胶上，光与纳米颗粒相互作用产生热量，导致水凝胶迅速收缩，从而驱动微镊张开，关闭光源后，水凝胶则恢复到松弛状态，微镊也随之闭合。水凝胶的形状经过精心设计，以确保爪子的刚性触角能够有效开合，并实现所需的抓握力。最终得到的是一种外部控制、可逆操作的微镊，它采用小型半导体激光器，而无需笨重的外部硬件。
这项研究的独特之处在于微镊的性能。实验结果显示，其响应时间仅为 77 毫秒，可在高达 5 赫兹的频率下实现开合（每秒完成 5 次开合），速度远超以往使用光纤的方法。更引人注目的是，它能产生微牛顿（μN）级的力，其力质比高达 340 微牛顿/毫克。这一力质比相比之前报道的光纤集成微镊提升了 1-2 个数量级；相比传统光镊，更是提升了 3-5 个数量级。这种速度、强度与微型化的结合，填补了光学和机械类微操作工具在性能上的空白。
研究团队进一步通过一系列实验验证了该光纤微镊的性能，与传统光镊不同，该光纤微镊能够可靠地抓取和操控具有广泛光学特性和几何形状的颗粒，研究团队展示了其对氧化铝球体、碳化硅碎片以及复杂微型结构的精确操控，凸显了机械夹持相较于光学捕获的多功能性。此外，该设备还能以微米级精度在三维空间中操控物体。
令人印象深刻的是，该光纤微镊能够操控比自身大得多的物体，研究团队展示了其成功吊起了一根长 20 厘米、直径 20 微米的铜线，相当于约 4.9 微牛的拉力，考虑到该光纤微镊自身微小的尺寸，这一成就令人惊叹。这凸显了将柔韧的水凝胶与机械性能强的聚合物爪相结合的优势。
该光纤微镊还为微尺度组装开辟了新途径。实验结果显示，其能够通过抓取和定位单个组件来构建复杂的微型装置，包括轴承和齿轮箱。这对于在硅芯片上制造微型光子器件，或用于将电气与机械元件结合的微机电系统而言，可能具有革命性意义。
该光纤微镊在生物环境中的表现同样引人注目。实验结果显示，其能够捕获、运输并释放单个人类癌细胞，且不损害其活性，使用该设备操作的细胞保持了正常的形态和分裂行为。这为该设备在单细胞分析、组织工程和力学生物学等需要精确、无损操控的应用领域打开了大门。研究团队还演示了两个光纤微镊的协同操作：一个用来固定细胞团，另一个用来抓住一个单独的细胞并将其从细胞团中分离出来。这种“双镊协作”模式，为研究细胞间相互作用、细胞迁移等基础生物学问题提供了前所未有的工具。此外，该光纤微镊还能在高速流动环境（流速高达约 7500 微米/秒）中稳定捕获单个细胞，甚至可以配合尖锐的微针实现细胞膜穿刺。
该光纤微镊的小巧尺寸，使其能够进入以往机械微镊无法到达的环境，研究团队在内径仅为 300 微米的玻璃毛细管内部操作了该设备，并使用该设备成功从切除的兔胆管中提取样本，凸显了其潜在的临床应用价值。相比于直径达毫米级的传统活检工具，该光纤微镊的取样所需的创伤更小，且能提供前所未有的空间精度。
总的来说，该研究通过将光诱导的热激活与机械微镊集成于单一光纤平台，实现了精度与强度的兼顾，重新定义了微操作的可能性。 这项研究可能预示着一个未来——微型遥控工具能够在复杂环境深处精准作业——组装器件、探测细胞，甚至进行显微外科手术。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10673-7