上海理工大學：基于微流體輔助3D打印技術制造仿生復眼
發布日期：2022-04-10
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歷經5億年的演化，節肢動物的復眼已經進化成了一套結構復雜、功能卓越的成像系統，節肢動物可以通過復眼，以極大視場角的全景模式，結合深度感知的能力全方位洞察周邊的事物。由于復眼在成像方面的諸多優勢，研究人員不斷提出各種制備仿生復眼的方案，但是，自然復眼的結構過于復雜，傳統微加工工藝無法實現自然復眼的真實結構，過去所研制的仿生復眼無法適用于普通光學元件及圖像傳感器，這使得仿生復眼的應用受到了極大的限制。
近日，上海理工大學長江學者張大偉教授領銜的超精密光學制造團隊在莊松林院士的領導下，戴博教授及同事、張良等碩士研究生與美國杜克大學Tony Jun Huang教授課題組、戴頓大學趙乘龍教授課題組、南加州大學John Mai研究員合作，提出了一種基于微流體輔助3D打印的微結構加工技術，并將該技術用于制備仿生復眼。
圖一左圖：螞蟻的復眼，右圖：基于微流體輔助3D打印技術制備的仿生復眼
仿生復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（摩方精密nanoArch S130,P140超高精度3D打印系統）制備出超高精度的復眼模具及基底。模具為一個半球形凹坑，在坑內密布了圓柱陣列；基底為一個半球體，內部含有與圓柱陣列等量的微管道。然后，對模具進一步處理，在凹坑內填上光敏樹脂，利用勻膠機作甩膠處理。當適度控制勻膠機轉速時，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力的作用，液面會下凹。經UV固化后，復眼模具便完成了。最后，將半球體基底倒扣在凹坑中，注滿彈性樹脂，經熱固化后，取出半球體，便能獲得一顆仿生復眼。
在此工作中，研究人員實現了高度仿生的復眼，5毫米直徑半球狀的仿生復眼擁有多達12,000多顆子眼。結構與自然復眼高度相似，具有角膜(cornea lens)、晶錐(crystalline cone)、感桿束 (rhabdome)等核心元素。除了結構，所制得的仿生復眼在功能上也能與自然復眼媲美。研究人員將仿生復眼結合傳統二維圖像傳感器，即可實現超大視場全景、全彩成像，還演示了在三維空間內對光源精準定位。
圖二仿生復眼的制備流程圖
圖三利用仿生復眼觀察發紅光的X標記以及跟蹤發藍光的三角標記
該成果以“Biomimetic apposition compound eye fabricated using microfluidic-assisted 3D printing”為題發表在Nature子刊Nature Communications上。
文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26606-z
NatureCommunications volume 12, Articlenumber: 6458 (2021)
