摘要：8月20日，权威期刊《自然-通讯》一篇论文让眼镜掉了一地。来自瑞典哥德堡大学的科学家们，成功研制出了一种用光驱动的微型马达和齿轮系统，其直径仅有十几微米，比你的一根头发丝还要细得多！

你可能很难想象，比细胞还小的光动力齿轮、马达已经诞生，未来或将直接在你体内修补身体！

8月20日，权威期刊《自然-通讯》一篇论文让眼镜掉了一地。来自瑞典哥德堡大学的科学家们，成功研制出了一种用光驱动的微型马达和齿轮系统，其直径仅有十几微米，比你的一根头发丝还要细得多！

而它不仅仅是一个小玩意，它一举冲破了困扰全球科学家长达30年的技术壁垒。这意味着，我们距离电影中那种可以在人体内穿梭、修复病灶的“纳米机器人”又近了一大步。

▲图：光驱动的微型齿轮，直径仅0.016毫米。来源：Gan Wang

一、30年的叹息之墙：微型机械为何带不动？

你想造一台世界上最小的发动机，小到能塞进一个细胞里。你首先会想到什么？动力！

过去三十年，科学家们在微型马达领域绞尽脑汁。他们尝试了静电驱动、磁场驱动等各种方法。但他们很快就撞上了一堵叹息之墙——尺寸极限卡在了0.1毫米左右，再也小不下去了。

为什么？因为传统的驱动方式，要么需要微型电线来连接，而这些“电线”对于微米级的马达来说，简直就是庞然大物，占地儿又碍事；要么需要特殊的磁性或导电材料，这让制造过程变得异常复杂，还容易互相干扰。

二、思想变一变，自行车变摩托：用“光”作动力！

面对这个死胡同，哥德堡大学的团队另辟蹊径。他们的想法堪称天才：

既然所有实体连接都太笨重，那干脆就不要连接了！我们用光，用一道看不见的激光束来驱动它！

他们的秘密武器，是一种叫做“光学超表面”（Optical Metasurface）的神奇材料。

你可以把它想象成一个刻满了无数微型“船桨”的圆盘。当激光这股“水流”冲击到这些纳米级的“船桨”上时，光会被导向特定的方向。而根据牛顿第三定律（作用力与反作用力），光在被推开的同时，也会给“船桨”一个反向的推力。

▲图：光与超表面的相互作用产生推力，驱动齿轮旋转。

成千上万个这样的微小推力汇集起来，就形成了一股强大的扭矩，足以让这个比细胞还小的齿轮飞速旋转起来。

三、不只能转，还能“拖家带口”干大事！

你可别以为这只是一个会空转的小齿轮。科学家们已经赋予了它“十八般武艺”：

速度随心调：激光强一点，它就转得快一点；激光弱一点，它就慢下来，控制极其精准。

方向任意换：最神奇的是，只要改变激光的“偏振”状态（你可以理解为光的“旋转方向”），就能让齿轮瞬间反转，从顺时针秒变逆时针！这意味着，前进、后退、掉头，全凭一道光说了算。

组建“机械军团”：一个光驱动的“主齿轮”可以带动旁边一整串无动力的“从动齿轮”一起工作，形成复杂的微型齿轮传动系统。

还能“走直线”：他们还设计了“齿轮齿条”结构，成功将齿轮的旋转运动，转化为了齿条的线性往复运动。这意味着，它不仅能转圈，还能前后移动干活！

客串“光学开关”：在齿条上装一个小镜子，它就能像百叶窗一样，通过来回移动来控制另一束光的通过或阻断。

▲图：微型齿条和小齿轮元机器。

四、它将如何改变我们的世界？

这项技术的制造工艺与我们手机里的芯片类似，采用标准的光刻技术，可以轻松地在晶圆上大规模生产，数以万计地制造。

能上流水线的黑科技，才是真正的“王炸”。它的未来应用，足以让人热血沸腾：

医疗领域：这是最令人期待的方向。由于它尺寸小，且驱动用的1064nm激光对人体组织伤害极小，未来可以将其制成微型泵或阀门，注入血管，在指定位置精准输送药物，或者清理血栓。电影里的“细胞级手术刀”或许不再是梦。

“片上实验室”：将这些微型机械集成到芯片上，可以用于精确操控单个细胞或DNA分子，进行前所未有的微观实验和检测。

精密光学和机器人：它们可以成为未来光学计算机和微型机器人中不可或缺的核心部件。

所以今天，我们看到的不仅仅是一个会转的齿轮，而是一个被光拧动了发条的、通往微观机械新世界的钥匙。

科幻的大门，已经悄然打开。

参考文献：

Gan Wang, Marcel Rey, Antonio Ciarlo, Mahdi Shanei, Kunli Xiong, Giuseppe Pesce, Mikael Käll, Giovanni Volpe. Microscopic geared metamachines. Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-62869-6

来源：徐德文科学频道