科學進步的歷史常常以利用無關應用開發和擴展的技術、材料和工藝為標志。一個明顯的例子是集成電路相關工藝技術如何催生微機電系統（MEMS）器件。

利用這些資源，瑞典哥德堡大學的一個團隊將這些工藝和技術擴展，開發并評估了一種齒輪直徑在微米級的輕功率微型電機和齒輪組。他們認為，這比大多數現有設計在約0.1毫米最小直徑時“停滯”是顯著的縮小。

迷你齒輪機械的挑戰

什么是齒輪機械機？它可以定義為至少兩個機械部件相互作用，形成一個能夠產生和傳遞功的有機單元。這類微電機和機械系統的概念當然并不新鮮，但將它們整合進功能性微觀、齒輪化的機構中仍然是一項重大挑戰。

其他傳統的靜電驅動齒輪半導體制造方法受限于電連接器的需求，電連接器占據每個微電機周圍較大空間，限制了微型化和并行化。雖然使用交流電、磁場和非相干光場等“遠場”方法可以進一步微型化單個微電機，但這也帶來了其他性能問題。

光學超曲面、Metarotor和激光

團隊利用制造技術開發了帶有光學超表面的齒輪機構，這些機構在均勻激光照射下工作。該微電機核心是一個中旋翼——包含中軸的環形結構——通過帶帽柱牢固固定在玻璃芯片上（見圖1）。

1. （a） 光學驅動微型電機的示意圖，具有環形中轉子，內含中轉曲面，通過帶帽柱固定于玻璃芯片上。（b–e）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，記錄微型馬達制造過程（比例尺：5微米）：（b） 通過電子束光刻進行納米加工的硅中介表面;內嵌鏡頭放大構成中介表面的超原子。（c） 刻蝕含有中超表面的SiO2環。（d） 中央柱和（e） 帽由SU-8微光刻制成。（f） 中層表面對光的偏轉示意，導致中介表面受力方向相反。（g） 中介表面由四個不同方向的段組成。白色箭頭表示在用線偏振光照射時對中旋翼施加的力。黑色箭頭表示由此產生的逆時針旋轉。（h） 光學顯微鏡圖像（見補充視頻1）中轉旋翼在35 μW/μm2強度線偏振光束下的旋轉。紅線表示中旋翼外緣突出物的追蹤。比例條：10微米。等直徑（16微米）的中轉子在線偏振平面光束照射下，其平均角速度隨（i）超原子數和（j）激光光強度變化。陰影區域表示標準差。（k） 角速度與環與柱之間間隙大小的獨立性。誤差條表示每種條件中三次測量的標準差。（l） 不同間隙大小下，中轉子位置沿x軸的概率分布。間隙越小，約束越大。

采用硅作為主要材料確保與標準光刻的兼容性，便于大規模制造。這種方法為齒輪功能器件的精確控制和移動創造了多功能平臺，實現了微尺度和納米級機械系統前所未有的能力。

研究人員在研究中表明，微觀機器可以由光學超材料驅動——這些小型、有圖案的結構能夠在納米尺度上捕獲和控制光線。利用傳統光刻技術，帶有光學超材料的齒輪是直接在微芯片上用硅制造的，齒輪直徑為幾十微米（常用的人類頭發平均直徑為70微米，但范圍在20到180微米之間）。

通過激光照射超材料，研究人員可以讓齒輪旋轉，甚至驅動和控制齒輪組（見圖2）。

2. （a–d） 作為驅動齒輪的超旋翼（b–d）的掃描電子顯微鏡圖像（頂部面板）和光學顯微鏡圖像（底部面板）。中轉子的轉動由紅色箭頭表示，驅動齒輪的轉動由白色箭頭表示。（e） 驅動齒輪（ωm）與驅動齒輪（ωp）之間的角速度平均比取決于它們直徑的比值。（F–H）單一驅動齒輪驅動一列相同直徑的被動齒輪的SEM圖像（頂部面板）和光學顯微鏡圖像（底部面板）：（f） N = 3，（g） N = 4，以及（h） N = 5個相同直徑的齒輪（包括驅動齒輪）。 （i） 被動齒輪的角速度ω = ωm = ωp與齒輪組中齒輪數N的關系。虛線表示ω/N。（e）和（i）中的誤差條代表每種條件三次測量的標準差。比例桿：10微米。

激光光的強度控制速度。也可以通過改變光的偏振來改變齒輪方向。此外，齒輪還可以作為將旋轉轉換為線性運動（見圖3）、執行周期性運動以及控制微觀鏡面以偏轉光線的裝置的一部分。

3. （a， e， i） 三種齒條小齒輪元機設計的示意圖，用于將中轉旋翼產生的旋轉運動轉換為線性運動。可動齒條和小齒輪以藍色表示，而固定部分則以綠松石色表示。金屬表面段以紅色和黃色高亮顯示。在照明下，驅動齒輪和齒條所受的力分別用白色和黑色箭頭表示。（b，f，j）對應的掃描電子顯微鏡圖像，以及（c， g， k）光學顯微鏡圖像。（d） 小齒輪中轉子配備了一個中介曲面，設計使得左旋和右手圓偏振光的旋轉方向不同，使機架在右旋圓偏振下實現前進運動，在左旋圓偏振下實現后退運動，從而通過改變光的圓偏振實現動態來回運動。（h） 為齒條和小齒輪配備超曲面，允許在恒定線偏振光下實現振蕩齒條運動。小齒輪有一個齒，嚙合時齒輪齒條周期性向左移動，而齒輪齒條的中曲面則向右移動，模擬宏觀彈簧。平衡兩個超曲面的力可實現線偏振光下的振蕩軌道運動。（l） 相同的齒條和小齒輪設計可以周期性移動金色鏡子（（i）中以金黃色示意），改變（i）和（k）中白色方框中平均透射光量（l）。比例桿：10微米。

深入探討耐用性

研究人員還調查了一個合理但容易被忽視的問題——運動耐久性。雖然芯片尚未達到長期穩定性的最佳封裝，但電機在持續照明下可持續運行長達11小時。此外，即使照射11小時并儲存長達六個月，它也不會發生結構劣化

然而，當電機處于穩態驅動模式時，其轉速會逐漸降低，最終電機停止。這很可能是由于溶液環境的變化（如局部界面活性劑重新分布和雜質積累）導致電機-基板界面摩擦增加所致。

不過，經過輕微清潔和溶液交換后，電機可以恢復轉動。這表明這些影響是可逆的，而非腐蝕性的，可以通過改進包裝和液體處理來減輕。