飞秒激光直写赋能仿生制造，迈向下一代智能器件

摘要：华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授和高辉副教授研究团队综述了飞秒激光直写在仿生制造领域的最新研究进展，深入探讨了其在结构复制与功能仿生方面的发展路径，并展望了其未来应用潜力。

华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授和高辉副教授研究团队综述了飞秒激光直写在仿生制造领域的最新研究进展，深入探讨了其在结构复制与功能仿生方面的发展路径，并展望了其未来应用潜力。

文章 |Fan XH, Deng CS, Gao H, et al. Recent advances in biomimetic micro/nanomanufacturing via femtosecond laser direct writing. Opto-Electron Plus1, 250002 (2025).

第一作者：范旭浩

通信作者：高辉, 熊伟

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概述

自然界中广泛存在的复杂结构和多功能特性一直是工程创新的重要灵感来源。从荷叶表面的超疏水性、壁虎脚趾的黏附机制，到蝴蝶翅膀的结构光彩，这些自然界的精妙设计揭示了微纳结构如何在宏观层面显著提升材料的界面、光学和力学性能。仿生微纳制造因其能够在微米乃至纳米尺度上复制这些自然结构，已在材料科学、光子学、机器人技术以及生物医学等多个领域展现出广阔的应用前景。然而，传统的光刻、刻蚀与沉积等加工手段受限于分辨率、材料兼容性及三维几何复杂度，难以全面再现自然系统的多尺度特征与功能。

近年来，基于非线性多光子吸收效应的飞秒激光直写技术(Femtosecond laser direct writing, FsLDW)受到国内外学者的广泛关注。该技术不仅能够实现亚微米级分辨率与真三维自由制造，还具备对多种功能性材料的适应性，为复杂生物形态的高精度复制与可编程、响应式功能的集成提供了可能，正推动仿生制造迈向全新的发展阶段。

综述内容概要

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授和高辉副教授研究团队受邀在Opto-Electronics Plus 2025年第1期上发表了题为“Recent advances in biomimetic micro/nanomanufacturing via femtosecond laser direct writing”的综述文章，系统总结了飞秒激光直写在仿生制造领域的最新研究进展，深入探讨了其在结构复制与功能仿生方面的发展路径，并展望了其未来应用潜力。

图1 基于飞秒激光直写的仿生制造和应用领域

FsLDW利用非线性双光子聚合机制，能够在光敏材料中直接写入亚微米级特征，实现自由曲面的三维结构构建。相较于传统光刻或模压工艺，该技术在几何复杂性、设计灵活性以及材料适应性方面具有显著优势。目前，该技术已成功应用于多个仿生场景，包括微纳米机器人、自适应光子器件及智能传感平台。例如，通过在光敏树脂、水凝胶及复合功能材料中进行激光直写，可以构建具备机械柔顺性、光学可调性与环境响应性的结构，从而模拟生物体的动态功能与组织级复杂形态。

图2 飞秒激光直写制备的仿生微纳结构

在应用层面，FsLDW展现了在多领域的广阔潜力。微纳米机器人可实现定向运动与环境响应，推动了微创医疗与精准操控技术的发展；自适应光子器件能够模拟自然界的结构色与调控机制，为新型显示、光通信与隐身材料提供了新思路；智能传感平台则通过微纳结构的构建提升了对环境刺激的灵敏度，为未来可穿戴健康监测、环境检测与自适应探测系统的发展奠定了基础。凭借结构复杂性与功能可编程性的独特优势，FsLDW正逐步成为推动仿生制造走向下一代智能系统的重要技术基石。

总结与展望

综上，FsLDW正在成为微纳尺度“结构—功能”一体化构建的重要平台，它不仅突破了传统微纳制造在分辨率和结构复杂度上的限制，也为功能集成与智能化设计提供了全新思路。未来，随着自适应光学、近场增强、多光束并行化以及材料体系拓展等技术的不断进步，FsLDW在加工精度、制造效率和材料多样性方面有望实现进一步突破；同时，人工智能和机器学习的引入将推动设计与制造过程的数字化协同，使得这一技术不仅能够忠实模拟自然系统，更可能在性能层面实现超越。可以预见，FsLDW技术的持续演进将引领新一代仿生制造的发展，使其在科学研究和工程应用中展现更强的创新驱动力与跨学科价值。

【基金支持】该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金创新群体项目、湖北省自然科学基金、湖北光谷实验室创新项目、中国科协青年人才托举工程及中国科学院“西部之光”计划的支持。

研究团队简介

熊伟教授、高辉副教授领导的华中科技大学微纳光电子实验室为湖北省创新群体，主要致力于激光微纳极端制造技术与装备的多学科交叉领域研究，在激光先进制造技术、超构表面微纳光学器件领域开展了一系列开拓性工作，成功攻克了现有加工技术在微纳尺度激光3D/4D打印、超构表面光场调制、高性能材料激光检测与防腐，以及高效率激光微纳加工装备等方面多项关键难题。近年来在Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials等国际权威期刊发表论文120余篇，申请与授权国内外发明专利50余项。团队承担了多项国家级、省部级以及企业横向项目，包括国家重点研发计划项目、国家重大科技基础设施课题、国家自然科学基金面上项目，以及校企联合实验室等千万级横向项目。近五年来，研究团队曾获国家科技进步奖二等奖1项、国家教学成果奖二等奖1项。