PhotoniX | 基于智能光镊的微粒阵列全并行组装

研究背景

      全息光镊（HOT）通过光场调控手段构建多光阱，可用于同时捕获并操控多个粒子，从而将它们排列组装成特定图案结构。该技术是构造新颖物质结构、研究细胞相互作用、实现量子计算的重要手段。然而在实际应用过程中，HOT的并行操控能力难以充分发挥。这是由于并行操控易使粒子间发生碰撞（尤其是对于高密度的微粒集群），继而引起粒子团聚或丢失，最终造成组装结构存在缺陷。因此在实际操作中需分批依次地将微粒移动到目标位置，从而导致组装效率降低。

      此外，潜在的碰撞也给图案的灵活变换带来了挑战。通常只允许简单的动态类型变换，如刚性平移和旋转。这一挑战的核心是如何通过规避碰撞来充分利用操控并行度这一长期存在的问题。

导读

      最近，中国科学院西安光学精密机械研究所姚保利研究员和徐孝浩副研究员领导的研究团队开发了一种人工势场全息光镊（APF-HOT），以实现对微粒阵列的规避碰撞的操控。人工势场（APF）是宏观机械手和移动机器人避障的一种虚拟力方法，被广泛应用于多机器人的协同工作和多无人机的协同导航。该方法通过智能算法为光阱中的粒子施加虚拟的排斥力，从而使粒子在即将发生碰撞时通过局部位移有效绕过障碍物。通过消除微粒间的碰撞风险，APF-HOT实现了微粒阵列的无缺陷组装和转换，并最大限度地减少了操作路径长度，提高了光学操控的并行度。研究成果于2024年10月15日以“Artificial potential field-empowered dynamic holographic optical tweezers for particle-array assembly and transformation”为题在线发表在 PhotoniX 期刊上。

主要研究内容

      在这项研究中，受无人机集群控制和水下机器人队列操纵技术的启发，研究团队将APF引入到HOT中，从而开发了一种人工势场全息光镊（APF-HOT），以消除动态光学微操纵过程中粒子间潜在的碰撞。尽管APF被广泛应用于宏观机械手和移动机器人避障，但这种方法在光学微操纵领域中是首次使用。利用APF为光阱中的粒子添加额外的虚拟排斥场，斥力与粒子间距成反比，从而使粒子在即将发生碰撞时通过局部位移有效绕过障碍物。

      在理论模拟中，传统的HOT沿直线路径移动微粒，无法消除潜在的粒子间碰撞，可能导致组装的微粒图案出现缺陷。相比之下，APF-HOT通过在每个微粒周围创建一个虚拟斥力场，为全并行操控提供了一种无碰撞解决方案，从而直接组装出完美的图案。

      在验证实验中，APF-HOT通过调用全额并行度的方式实现微粒阵列的无缺陷组装，实现了组装效率最大化。研究团队展示了从随机初始位置开始的8 × 8无缺陷微粒阵列的直接组装，并进一步演示了其他三个微粒图案的无缺陷组装。在消除了潜在的碰撞风险后，利用匈牙利算法规划最小的路径，从而实现了不同图案间的高效转换。研究团队展示了7 × 7微粒阵列的连续灵活转换，在最小路径约束下调节其倾斜角度和微粒间距。研究团队也展示了通过弹性变换形成其他的几何图案。

技术突破与创新点

      在微粒集群移动过程中，APF方法可以有效减少碰撞，尤其是多个微粒之间发生的复杂碰撞。使用APF进行无碰撞路径规划的一个例子如图1所示。100个微粒随机分布在30 μm × 30 μm的区域内，目标是间距为1.5 μm的10 × 10阵列。图1a显示了微粒的移动轨迹，移动步数为70步。放大图显示的是微粒避撞的轨迹。绿色箭头表示轨迹因排斥力而弯曲。大多数轨迹都是直线，只有在粒子受到斥力时才会弯曲。轨迹长度从1 μm到11 μm不等（图1b）。在这个例子中，APF的总运行时间约为140.4 ms。当光阱数量N_trap≤100时，单步运行时间通常在2 ms以内。

      APF-HOT通过调用全额并行度的方式实现微粒阵列的无缺陷组装，从而使组装效率最大化。捕获初始微粒后，依次进行目标分配、无碰撞路径规划和全息图生成三个阶段。随后，纯相位液晶空间光调制器（SLM）在每个时间步更新全息图，以实现所有光学陷阱的平行移动。图2a展示了64个随机微粒按照预先规划的路径移动到目标位置，最终形成一个间距为1.5 μm的8 × 8阵列。微粒通常以恒定步长移动，只有在碰撞位置才会减小步长。所有微粒都在5.4 s后到达目的地。图2b展示了自定义形状的微粒图案，分别包含60、58和48个微粒。生成更大的图案有两个挑战。首先是在实验开始时难以捕获大量的单个微粒。其次是激光器的输出功率有限，以及光学元件的损坏阈值有限。

      由于APF消除了潜在的碰撞风险，使得利用匈牙利算法得到的最小路径优化方案可以实现不同图案间的高效转换。通过设置新的目标位置，微粒阵列可以转变成其他微图案。图3a展示了一个从随机位置（灰色圆圈）形成的7 × 7微粒阵列。实线表示从荧光图像中提取的移动轨迹。第一次变换是将阵列旋转 45°（图3b）。第二次变换是将间距扩大两倍（图3c）。接下来的变换分别是旋转15°、30°和45°（图3d-f）。这里的变换是弹性变换而不是阵列的刚性旋转。对于图3b所示的弹性变换，轨迹的最大长度为3(√2-1)-1.5 μm = 1.86 μm，而刚性旋转的最大长度为3√2-π/4-1.5 μm = 5.00 μm。弹性变换产生的路径更短，因此创建新阵列所需的时间也更短。

      也可以通过变换形成其他几何图案。如图4所示，48个微粒首先从随机位置形成两个同心圆，然后依次变换成八边形、六边形和四边形图案。两个圆中的每一个都转化成了一个八边形。图4a（左下）显示，在八角形到六角形的转换过程中，两颗微粒从外环移动到内环。相比之下，图4a（右下）显示，在六边形到四边形的转变过程中，有两颗微粒从内环移动到外环。

观点评述

      这项研究开发了一种人工势场全息光镊，解决了多粒子动态光学微操作过程中的粒子间碰撞问题，实现了粒子阵列的全并行组装和最优路径控制。这项工作将功能简单的光镊发展成为功能强大的多臂机器人，有助于推进光镊在中性原子阵列量子计算、细胞分选、细胞间相互作用、微纳级显示等领域中的应用。对于其他微观物质组装技术的发展，如时分扫描光镊和全息声镊，该工作也具有启示性意义。

主要作者介绍

       李星，中国科学院西安光学精密机械研究所博士研究生。研究领域为空间光场调控，光学微操纵，结构光照明显微成像。

      徐孝浩，中国科学院西安光学精密机械研究所副研究员，博导。研究领域为光学微操纵，电磁理论，悬浮光力学。在Nat. Commun.，PNAS，PRL，Adv. Opt. Photon.等期刊上发表论文50余篇。

       姚保利，研究员，博导，瞬态光学与光子技术国家重点实验室主任。致力于智能光学交叉领域研究，发展了多种新型光学显微成像和微操纵技术，在Nat. Commun.、PNAS、PRL、Adv. Opt. Photon.等期刊上发表330多篇论文，授权26项发明专利，曾获陕西省科学技术一等奖、二等奖和陕西省重点科技创新团队等奖励和荣誉。

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• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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