上海理工大學(xué)《自然·通訊》：基于微流體輔助3D打印技術(shù)制造仿生復(fù)眼

來源: 高分子科學(xué)前沿

歷經(jīng)5億年的演化,，節(jié)肢動物的復(fù)眼已經(jīng)進(jìn)化成了一套結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、功能卓越的成像系統(tǒng),，節(jié)肢動物可以通過復(fù)眼,，以極大視場角的全景模式,，結(jié)合深度感知的能力全方位洞察周邊的事物,。由于復(fù)眼在成像方面的諸多優(yōu)勢,，研究人員不斷提出各種制備仿生復(fù)眼的方案，但是,，自然復(fù)眼的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,，傳統(tǒng)微加工工藝無法實(shí)現(xiàn)自然復(fù)眼的真實(shí)結(jié)構(gòu)，過去所研制的仿生復(fù)眼無法適用于普通光學(xué)元件及圖像傳感器，這使得仿生復(fù)眼的應(yīng)用受到了極大的限制,。

近日,，上海理工大學(xué)張大偉教授領(lǐng)銜的超精密光學(xué)制造團(tuán)隊(duì)在莊松林院士的領(lǐng)導(dǎo)下，戴博教授及同事,、張良等碩士研究生與美國杜克大學(xué)Tony Jun Huang教授課題組,、戴頓大學(xué)趙乘龍教授課題組、南加州大學(xué)John Mai研究員合作,，提出了一種基于微流體輔助3D打印的微結(jié)構(gòu)加工技術(shù),，并將該技術(shù)用于制備仿生復(fù)眼。

圖一左圖：螞蟻的復(fù)眼,，右圖：基于微流體輔助3D打印技術(shù)制備的仿生復(fù)眼

仿生復(fù)眼的具體加工工藝如下：利用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S130,P140,，摩方精密）制備出超高精度的復(fù)眼模具及基底。模具為一個半球形凹坑,，在坑內(nèi)密布了圓柱陣列,；基底為一個半球體，內(nèi)部含有與圓柱陣列等量的微管道,。然后,，對模具進(jìn)一步處理，在凹坑內(nèi)填上光敏樹脂,，利用勻膠機(jī)作甩膠處理,。當(dāng)適度控制勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速時，凹坑中的膠會被完全甩出,，而圓柱陣列中會殘留部分光敏膠,。靜止一段時間后,，圓柱陣列中的膠由于受到毛細(xì)力的作用,，液面會下凹。經(jīng)UV固化后,，復(fù)眼模具便完成了,。最后，將半球體基底倒扣在凹坑中,，注滿彈性樹脂,，經(jīng)熱固化后，取出半球體,，便能獲得一顆仿生復(fù)眼,。

在此工作中，研究人員實(shí)現(xiàn)了高度仿生的復(fù)眼,，5毫米直徑半球狀的仿生復(fù)眼擁有多達(dá)12,000多顆子眼,。結(jié)構(gòu)與自然復(fù)眼高度相似，具有角膜(cornea lens)、晶錐(crystalline cone),、感桿束 (rhabdome)等核心元素,。除了結(jié)構(gòu)，所制得的仿生復(fù)眼在功能上也能與自然復(fù)眼媲美,。研究人員將仿生復(fù)眼結(jié)合傳統(tǒng)二維圖像傳感器,，即可實(shí)現(xiàn)超大視場全景、全彩成像,，還演示了在三維空間內(nèi)對光源精準(zhǔn)定位,。

圖二仿生復(fù)眼的制備流程圖

圖三利用仿生復(fù)眼觀察發(fā)紅光的X標(biāo)記以及跟蹤發(fā)藍(lán)光的三角標(biāo)記

該成果以“Biomimetic apposition compound eye fabricated using microfluidic-assisted 3D printing”為題發(fā)表在Nature子刊Nature Communications上。


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https://www.nature.com/articles/s41467-021-26606-z

NatureCommunicationsvolume 12, Articlenumber: 6458 (2021)