基于微流体辅助3D打印技术制造仿生复眼

2022-02-10 09:40啸云3D打印
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历经5亿年的演化,节肢动物的复眼已经进化成了一套结构复杂、功能卓越的成像系统,节肢动物可以通过复眼,以极大视场角的全景模式,结合深度感知的能力全方位洞察周边的事物。由于复眼在成像方面的诸多优势,研究人员不断提出各种制备仿生复眼的方案,但是,自然复眼的结构过于复杂,传统微加工工艺无法实现自然复眼的真实结构,过去所研制的仿生复眼无法适用于普通光学元件及图像传感器,这使得仿生复眼的应用受到了极大的限制。


近日,上海理工大学长江学者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,戴博教授及同事、张良等硕士研究生与美国杜克大学Tony Jun Huang教授课题组、戴顿大学赵乘龙教授课题组、南加州大学John Mai研究员合作,提出了一种基于微流体辅助3D打印的微结构加工技术,并将该技术用于制备仿生复眼。


图一、左图:蚂蚁的复眼,右图:基于微流体辅助3D打印技术制备的仿生复眼

3D打印复眼模具及基底

仿生复眼的具体加工工艺如下:利用面投影微立体光刻3D打印技术(nanoArch S130,P140,摩方精密)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,对模具进一步处理,在凹坑内填上光敏树脂,利用匀胶机作甩胶处理。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UV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,便能获得一颗仿生复眼。


在此工作中,研究人员实现了高度仿生的复眼,5毫米直径半球状的仿生复眼拥有多达12,000多颗子眼。结构与自然复眼高度相似,具有角膜(cornea lens)、晶锥(crystalline cone)、感杆束 (rhabdome)等核心元素。除了结构,所制得的仿生复眼在功能上也能与自然复眼媲美。研究人员将仿生复眼结合传统二维图像传感器,即可实现超大视场全景、全彩成像,还演示了在三维空间内对光源精准定位。


图二、仿生复眼的制备流程图

图三、利用仿生复眼观察发红光的X标记以及跟踪发蓝光的三角标记


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