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荣获2018年诺贝尔物理学奖的光镊，为物理、生物和材料科学等研究提供了颠覆性技术，但仍面临光强太强、光力微小、操控范围有限和适用对象受限等挑战。因此，亟需开发一种全新的光操控技术，进而为机器人技术、类器官研究、再生医学和神经调控等前沿领域提供创新的工具与解决方案。
荣获诺奖的光镊为微观世界中“抓得着”物体提供了颠覆性的技术，但仍面临“光强、操控力小、适用操控对象少”等重大挑战。针对这些挑战，我国科学家在《The Innovation》杂志上发表研究论文，首次报道全新光热释电镊（简称：光-电镊）研究成果，该光-电镊为跨尺度物体与活细胞的精准操控提供了新工具。
荣获2018年获诺贝尔物理学奖的光镊（OT）为物理学、生物学和材料科学等领域的研究提供了颠覆性的技术工具。传统光镊通过超强聚焦激光（~ 1×107 mW mm-2）产生的光梯度力（皮牛，~ 10-12 N）来操控微纳米颗粒，但面临一系列关键挑战，如系统复杂、光损伤风险高、作用力较小、操控范围有限，以及仅适用于透明物体等问题。新型光操控技术利用光响应性智能材料产生的温度场和电场等，成功降低了传统光镊对光照强度的需求，并显著增强了操控作用力。然而，这些新技术仍存在系统复杂、灵活性不足和适应性差等问题，严重制约了其实际应用。
为解决上述挑战，杜学敏研究员团队开发出了全新的光-电镊技术（Photopyroelectric tweezer，PPT），实现了对不同材质、相态和形状物体的非接触、普适性和精准操控（图1）。光-电镊由两个核心组件构成：近红外激光光源和光-电转换器。值得注意的是，光电转换器包含具有高效光热释电性能的镓-铟液态金属颗粒掺杂的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（LMPs/P(VDF-TrFE)高分子薄膜，以及具备减阻、抗污染和消除导电介质造成的电荷屏蔽作用的润滑层，含有润滑层与液体介质的薄膜通过两片聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封装集成（图2）。该光-电镊展现出卓越且稳定的光电转换性能：在仅2 mW mm-2 的光照强度下即可产生0.26 V的表面电势，随着光照强度的增加，光-电场可以轻松增强；即便在表面介质厚度从1 cm 到 10 cm、介质导电率从1.16 mS cm-1 到 91 mS cm-1的变化范围内，其光电性能依然保持有效。
光-电镊融合了光场和电场的双重优势，成功实现了在不同场景下的多功能操控，展现出了前所未有的灵活性和适应性（图3与图4）。特别值得一提的是，相较于传统光镊，光-电镊所需的光照强度降低了7个数量级，而产生的操控力却提高了7个数量级，成功实现了对不同材质（如聚合物、无机物、金属）、不同相态（如气泡、液体、固体）、不同形状（如球体、长方体、螺旋线）以及活鱼卵等物体的非接触、程序化、普适性操控。此外，光-电镊可设计为便携式平台，应用于宏观物体的操控，也可与显微成像系统集成，形成显微光-电镊操控系统。其强大灵活性和适应性使其能够跨尺度操控5 μm至2.5 mm的固体颗粒以及1 pL至10 mL的液滴。此外，光-电镊在水凝胶微型机器人组装和任务执行、不同材质和尺寸颗粒的筛选、活细胞组装、单细胞操控及细胞刺激响应等微型机器人与生物医学领域具有广泛应用潜力。
与传统光镊及其衍生镊技术相比，光-电镊不仅突破了操控对象、环境介质和复杂系统的限制，还填补了宏观与微观物体操控之间的空白，为微型机器人、类器官和神经调控等领域提供了全新的工具和方法。
光-电镊融合了光和电场的双重优势，成功实现了不同场景下的多功能操控，展现出了前所未有的灵活性和适应性。光-电镊采用比传统光镊低7个数量级的光照强度，却能产生比光镊大7个数量级的操控力，进而成功实现了不同材质（聚合物、无机物和金属）、不同相态（气体、液体和固体）、不同形状（球体、长方体、螺旋线）、不同尺寸（跨越10个数量级尺寸）物体的非接触、跨尺度、普适性、程序化操控。与此同时，该光-电镊还可以拓展到生命物质，实现了细胞离子通道、单个细胞到细胞聚集体的多尺度操控，为微型机器人、类器官和神经调控等重点前沿科技领域研究提供全新工具和方法。
https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00180-2
本文内容来自Cell Press 合作期刊 The Innovation 第六卷第一期发表的 Report 文章“Photopyroelectric tweezers for versatile manipulation” (投稿: 2024-06-12；接收: 2024-11-22；在线刊出: 2024-12-12）。
DOI：10.1016/j.xinn.2024.100742
引用格式：Wang F., Liu C., Dai Z., et al. (2025). Photopyroelectric tweezers for versatile manipulation. The Innovation 6: 100742.
杜学敏 博士，中国科学院深圳先进技术研究院研究员，荣获国家级青年人才、中国科学院青年创新促进会优秀会员、纳米研究青年科学家奖（NR45 Awards）等荣誉；受邀担任Research、Advanced Bionics期刊副主编及国内外5家期刊编委。他现担任深圳先进院智能医用材料与器械研究中心主任，其带领的中心主要从事面向生命健康重大需求的智能医用材料与器械研究，研究方向包括：智能高分子材料、神经调控与组织工程生物材料、生物电子、柔性传感与驱动器等。近年来，以负责人身份主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”课题、基金委国际合作、广东省重点、深圳市杰青等项目多项，其相关成果以第一及通讯作者（含共同）发表于Science Advances、Matter、Device、Advanced Materials等期刊上，核心技术获授权专利30余项。网页：https://ibmd.siat.ac.cn/，团队长期招聘博士后，请发送简历至：xm.du@siat.ac.cn。
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