Nat. Commun. | 基于微流体辅助3D打印技术制造仿生复眼

论文导读

      2021年11月，Nature Communications发表题目为“基于微流体辅助3D打印技术制造仿生复眼”的论文，该工作由上海理工大学张大伟教授领衔的超精密光学制造团队在庄松林院士的领导下，与美国杜克大学、戴顿大学、南加州大学合作。本篇文章的共同第一作者是上海理工大学戴博教授、硕士研究生张良同学和美国戴顿大学赵乘龙教授，通信作者是张大伟教授和美国杜克大学Tony Jun Huang教授。该研究工作提出了一种基于微流体辅助3D打印的微结构加工技术，将该技术制造了高度仿生的复眼，并且，利用所研制的仿生复眼实现了超大视场角的全景成像及三维精准定位。

研究背景

      在距今五亿多年前的寒武纪，低等生物已经能够通过简单结构的复眼洞察周围环境。随着五亿多年的进化，节肢动物的复眼得以不断完善，已经进化成了一套结构复杂、功能卓越的成像系统。复眼具有极大的视场角，而且还有三维深度感知的能力。复眼在成像方面的诸多优势启发了科研工作者，研究人员不断提出各种制备仿生复眼的方案。然而，复眼结构非常复杂，如图1（a）和图1（c）所示，其表面有密集的角膜(cornea lens)，其内部布满了晶锥(crystalline cone)、感杆束(rhabdome)等。传统微加工技术无法复制出复眼的真实结构。过去研究中所提出的仿生复眼无法适用于普通光学元件及图像传感器，使得仿生复眼的应用受到了限制。

技术突破

      为了实现复杂结构的复眼，我们提出了基于微流体辅助3D打印的微结构加工技术，该技术可以对高精度的3D打印件进行表面修饰及内部填充。仿生复眼的具体加工工艺如图2所示。首先，利用面投影微立体光刻3D打印技术制备出超高精度的复眼模具及基底。模具为一个半球形凹坑，在坑内密布了圆柱阵列；基底为一个半球体，内部含有与圆柱阵列等量的微管道。然后，采用微流体操控手段对模具加工处理，在凹坑内填上光敏树脂，再作甩胶处理。当适度控制匀胶机转速时，凹坑中的胶会被完全甩出，而圆柱阵列中会残留部分光敏胶。静止一段时间后，圆柱阵列中的胶由于受到毛细力的作用，液面会下凹。经紫外固化后，复眼模具便完成了。最后，将半球体基底倒扣在凹坑中，注满弹性树脂，经热固化后，取出半球体，便能获得一颗高度仿生的复眼。

      实验中，我们在仅仅5毫米直径的半球状仿生复眼上实现了多达12,000多颗子眼，其结构与自然界的复眼高度相似，仿生复眼表面具有排列规整的微透镜阵列和导光部件(模拟自然复眼的角膜和晶锥)，内部具有光波导（模拟感杆束）等核心元素。

      我们所研制的仿生复眼能将其前部及周围三维空间中的彩色影像直接投影至底部二维平面，适用于任意商用的二维图像传感器。实验中，我们利用所研制的仿生复眼进行了全彩全景成像及三维定位演示（如图4所示），实现了170度超大视场角全景成像，以及空间三维中光斑精准定位。

观点评述

      此项研究工作所提出的基于微流体辅助3D打印的微结构加工技术可以被进一步推广，用于制备各类微型复杂结构的器件。所研制的仿生复眼可以帮助科学家进一步研究节肢动物复眼的工作机理，从昆虫的视角认识这个世界。不仅如此，仿生复眼拥有巨大的应用潜力，有望被用于微型机器人、内窥镜3D成像等诸多领域。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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