撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

微納尺度精準(zhǔn)操控，是光電信息技術(shù)、先進(jìn)制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要前沿方向。2018 年，光鑷因其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，充分體現(xiàn)了光操控技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)和交叉應(yīng)用中的重要地位。然而，光鑷的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在非接觸和高精度操控上，其作用力較弱，且無法操控不透明物體。傳統(tǒng)的機(jī)械、氣動(dòng)或液壓微鑷雖然可提供較大的夾持力，但不適用于精密操控。

將微鑷直接集成于光纖上，為精密微操控提供了新途徑。然而，現(xiàn)有的光纖集成微鑷在狹小空間內(nèi)（例如微細(xì)血管、膽管）對(duì)微小物體（例如單個(gè)細(xì)胞）進(jìn)行高性能操控時(shí)仍面臨挑戰(zhàn)，主要原因在于結(jié)構(gòu)過于簡化、設(shè)計(jì)受限以及整體尺寸較大。

2026 年 6 月 17 日，安徽大學(xué)/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳東教授，香港中文大學(xué)張立教授，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡衍雷教授、汪超煒教授及合肥工業(yè)大學(xué)張晨初副研究員作為共同通訊作者（安徽大學(xué)潘登博士為論文第一作者），在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Optical fibre gripper for high-performance 3D micromanipulation 的研究論文。

該研究提出了面向纖基集成器件的飛秒激光復(fù)合制造方法，在商用光纖端部構(gòu)建了一種三維光纖微鑷（3D OFG），實(shí)現(xiàn)了微米尺度目標(biāo)的高精度、低損傷與可編程三維操控，展示了抓取單個(gè)細(xì)胞、組裝微型齒輪，以及深入膽管進(jìn)行活檢取樣等應(yīng)用，為我們打開了一扇通往微觀世界精密操控的大門。

值得一提的是，Nature同期發(fā)表了題為：Light-controlled microgripper punches above its weight 的評(píng)論文章，文章指出，這種可通過光信號(hào)實(shí)現(xiàn)開合的光纖微鑷，性能卓越，能夠深入狹小空間，并執(zhí)行與臨床應(yīng)用相關(guān)的任務(wù)。

為什么我們需要這么小的“手”？

在微觀世界里，“抓東西”一直是個(gè)大難題。

傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)雖然能做到非接觸操控，精度極高，但它能施加的力非常有限，通常在皮牛級(jí)別。這就像你能用一束光照亮灰塵，卻難以推動(dòng)它們。而且，光鑷對(duì)操作對(duì)象的透明度和環(huán)境條件有嚴(yán)格要求。

另一類是毫米級(jí)的機(jī)械鑷子，它們力氣大，能夾起較大的物體，但體積也大，根本進(jìn)不去毛細(xì)血管這樣的狹窄空間，更別提精準(zhǔn)地抓取單個(gè)細(xì)胞了。

那么，有沒有一種工具，既能像光鑷一樣精細(xì)，又能像機(jī)械鑷子一樣有力，同時(shí)體積還足夠小巧呢？

答案就是——把鑷子直接做在光纖末端。

靈感來自人體：骨骼+肌肉的設(shè)計(jì)

這只“光纖鑷子”的設(shè)計(jì)靈感，其實(shí)來源于我們自己的身體。人體的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由兩大模塊協(xié)同工作：肌肉負(fù)責(zé)產(chǎn)生收縮力，骨骼負(fù)責(zé)傳遞和支撐力量。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“仿生”結(jié)構(gòu)——

• “骨骼”：由剛性光刻膠制成，形成三個(gè)微小的爪子（三爪結(jié)構(gòu)），負(fù)責(zé)機(jī)械輸出和抓取；

• “肌肉”：由摻雜了銀納米顆粒的溫敏水凝膠制成，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)生；

• “能量通道”：光纖本身充當(dāng)能量輸送管道，將外部激光傳輸?shù)侥┒说摹凹∪狻鄙稀?/p>

整個(gè)裝置直接通過飛秒激光雙光子聚合（2PP）3D 打印技術(shù)，在商用多模光纖的端面上一次性制造完成，從而構(gòu)建出了新型三維光纖微鑷（3D Optical Fibre Gripper），最終成品尺寸僅為 38×38×61 μm?3，完美匹配單細(xì)胞級(jí)別的操作需求。

仿生肌肉-骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維光纖微鑷

如何工作？一束光就能控制開合

這只“光纖微鑷”的開合機(jī)制非常巧妙——

• 激光關(guān)閉時(shí)：水凝膠處于吸水膨脹狀態(tài)，三只爪子緊緊閉合，呈“待機(jī)”狀態(tài)；

• 激光開啟時(shí)：808 納米波長的近紅外激光通過光纖照射到末端，水凝膠中摻雜的銀納米顆粒迅速將光能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致水凝膠快速收縮，爪子隨之張開；

• 再次關(guān)閉激光：水凝膠重新吸水膨脹，爪子閉合，完成一次“抓取—釋放”循環(huán)。

整個(gè)過程就像一只微型“捕蠅草”，反應(yīng)速度極快。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其響應(yīng)迅速，激光照射后僅 1.15 毫秒，水凝膠就開始響應(yīng)；75% 最大開合行程只需 76.7 毫秒；穩(wěn)定工作頻率最高可達(dá) 5 赫茲（每秒可完成 5 次開合）；耐久性強(qiáng)，連續(xù)運(yùn)行超過 87000 次循環(huán)無明顯性能衰減。

相比之下，此前報(bào)道的光纖集成微鑷通常工作頻率在 1 赫茲左右，響應(yīng)速度慢得多。

力大無窮：力質(zhì)比碾壓所有同類

那么，這么小的東西，能有多大力氣？答案是——遠(yuǎn)超想象。

這只光纖微鑷的總質(zhì)量僅有約 14.3 納克（1 納克=十億分之一克），但它能產(chǎn)生的凈軸向提升力高達(dá) 4.9 微牛。換算下來，它的力質(zhì)比達(dá)到了驚人的 340 微牛/毫克。這一力質(zhì)比相比之前報(bào)道的光纖集成微鑷提升了 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)；相比傳統(tǒng)光鑷，更是提升了 3-5 個(gè)數(shù)量級(jí)。

為了直觀展示它的負(fù)載能力，研究團(tuán)隊(duì)做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：讓這只光纖微鑷在完全閉合狀態(tài)下，成功吊起了一根長 20 厘米、直徑 20 微米的銅線——這團(tuán)銅線的長度是鑷子自身長度的 3000 多倍。

更重要的是，由于采用了剛?cè)峤Y(jié)合的材料設(shè)計(jì)，這只光纖微鑷的夾持力還可以通過調(diào)節(jié)激光功率實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)控，從 0-2.2 微牛內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“灰度控制”。這意味著它在抓取脆弱物體（例如活細(xì)胞）時(shí)，可以溫柔得像用手指捏起一顆葡萄。

不僅能抓，還能“繡花”：三維微組裝

有了這樣一只靈巧的“手”，我們能用它來做什么呢？

首先，它不挑物體。無論是透明的二氧化硅微球，還是完全不透明的氧化鋁球、碳化硅碎片、聚合物微環(huán)、五角星形微?！寄芊€(wěn)穩(wěn)抓起。物體的反射率不會(huì)影響它的性能。

其次，它能實(shí)現(xiàn)三維空間的精確擺放。研究團(tuán)隊(duì)展示了將微球分別放置在基底上方 0 微米、20 微米和 40 微米的不同高度上，證明了其真正的三維操控能力。

令人印象深刻的是，研究團(tuán)隊(duì)利用這只光纖微鑷，成功完成了復(fù)雜微型器件的三維組裝——包括軸承、軸和齒輪箱等微型機(jī)械部件。他們還用它將微球拼出了“AHU”（安徽大學(xué)的英文縮寫）。

這為未來的微型機(jī)器人制造、微機(jī)電系統(tǒng)裝配開辟了全新的可能性。

溫柔對(duì)待：單細(xì)胞操控的新標(biāo)桿

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如何在不損傷細(xì)胞的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的精準(zhǔn)操控，一直是核心挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)以實(shí)驗(yàn)室常用的HeLa 細(xì)胞作為模型，進(jìn)行了系統(tǒng)的單細(xì)胞操控實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示——操控后細(xì)胞存活率高達(dá) 98.7%-99.2%；被操控的細(xì)胞后續(xù)能夠正常貼壁、鋪展和分裂。除了 HeLa 細(xì)胞，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)成纖維細(xì)胞（3T3）、甲狀腺細(xì)胞（Nthy-ori3-1）和結(jié)直腸癌細(xì)胞（Caco-2）等多種細(xì)胞類型進(jìn)行了成功操控，均保持了高活性。

更厲害的是，研究團(tuán)隊(duì)還演示了兩臺(tái)光纖微鑷的協(xié)同操作：一臺(tái)用來固定細(xì)胞團(tuán)，另一臺(tái)用來抓住一個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞并將其從細(xì)胞團(tuán)中分離出來。這種“雙鑷協(xié)作”模式，為研究細(xì)胞間相互作用、細(xì)胞遷移等基礎(chǔ)生物學(xué)問題提供了前所未有的工具。

此外，光纖微鑷還能在高速流動(dòng)環(huán)境（流速高達(dá)約 7500 微米/秒）中穩(wěn)定捕獲單個(gè)細(xì)胞，甚至可以配合尖銳的微針實(shí)現(xiàn)細(xì)胞膜穿刺。

深入“禁區(qū)”：在狹窄空間內(nèi)精準(zhǔn)取樣

如果說前面展示的都是“常規(guī)操作”，那么接下來這項(xiàng)應(yīng)用則讓人眼前一亮。

許多疾病的診斷和治療需要在極其狹窄的解剖結(jié)構(gòu)中進(jìn)行，例如膽管、血管、支氣管等。傳統(tǒng)的活檢鉗直徑通常約為 2.3 毫米，根本無法進(jìn)入這些區(qū)域。而這只光纖微鑷的整體尺寸僅 38×38×61 μm?3，其光纖包層的直徑也僅為 125 微米。

研究團(tuán)隊(duì)做了兩個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)——

實(shí)驗(yàn)一：玻璃毛細(xì)管模型，在一根內(nèi)徑僅 0.3 毫米、長 13 毫米的玻璃毛細(xì)管內(nèi)，光纖鑷子順利通過，并在遠(yuǎn)端成功抓取和釋放了直徑為 15 微米的二氧化硅微球。

實(shí)驗(yàn)二：離體兔膽管取樣，在新取出的兔肝膽標(biāo)本中，將光纖微鑷通過一根外徑 0.51 毫米的不銹鋼導(dǎo)管送入膽管腔內(nèi)，成功在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了抓取采樣。掃描電鏡圖像清晰地顯示，樣本被牢牢固定在鑷子尖端。

這些結(jié)果意味著，未來有望將這種光纖微鑷與內(nèi)窺鏡或介入導(dǎo)管結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)微小病變的無創(chuàng)或微創(chuàng)精準(zhǔn)取樣，為早期診斷提供全新手段。

未來展望：從實(shí)驗(yàn)室走向臨床

這項(xiàng)技術(shù)目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離臨床應(yīng)用還有一段路要走。但不可否認(rèn)的是，其突破性是顯著的——

• 首次將剛性骨架與柔性水凝膠肌肉集成在光纖端面，實(shí)現(xiàn)了剛?cè)岵?jì)的優(yōu)異性能；

• 力質(zhì)比創(chuàng)下新高，遠(yuǎn)超此前所有光纖集成微鑷；

• 展示了從單細(xì)胞操控到三維微組裝再到體內(nèi)模擬取樣的全鏈條能力；

• 與現(xiàn)有醫(yī)療成像導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，具備向臨床轉(zhuǎn)化的潛力。

正如研究團(tuán)隊(duì)在論文中所說：這些結(jié)果將光纖微鑷定位為一種緊湊型光纖尖端操控器，在光學(xué)場捕獲和毫米級(jí)機(jī)械鑷子之間提供了一個(gè)中間力區(qū)的可逆、可調(diào)諧抓取方案。

或許在不久的將來，手術(shù)機(jī)器人就能通過一根細(xì)細(xì)的光纖，在患者的血管或膽管內(nèi)“穿針引線”，完成過去難以想象的精密手術(shù)。而這，正是科學(xué)不斷突破邊界帶給我們的無限可能。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10673-7