作者：段跃初

在瑞典哥德堡大学的实验室显微镜下，一场静悄悄的革命正在发生——直径仅16微米的硅基齿轮正在激光的操控下平稳转动，其尺寸之小，足以轻松嵌入人类的头发丝中（人类头发直径通常为50-100微米）。2025年9月，这项突破性研究成果发表在《自然·通讯》杂志上，为人类打开了通往微米尺度工业世界的大门。这个比人体细胞（直径约20微米）还要精巧的机械装置，不仅刷新了微型齿轮的尺寸纪录，更凭借光驱动技术解决了困扰科学界30余年的微型传动难题。

突破半世纪的尺寸瓶颈

齿轮作为机械文明的基石，从钟表到汽车，从工厂机械臂到风力发电机，无处不在。但当科学家试图将这一基础部件微型化到0.1毫米以下时，却遭遇了难以逾越的技术鸿沟。瑞士Mimotec公司通过UV-LIGA技术制造的最小齿轮直径为700微米，已是传统工艺的极限。江苏雷利生产的10毫米空心杯电机虽能实现35mN·m/kg的扭矩密度，但当尺寸缩小到百微米级别时，传统电磁驱动方式的布线难题和摩擦损耗会急剧恶化。

哥德堡大学团队的创新之处在于彻底抛弃了传统驱动模式。他们采用标准光刻技术，在硅基芯片上制造出带有光学超表面的微型齿轮，这些齿轮表面布满纳米级光学结构，能高效吸收特定波长的激光能量。实验显示，当激光照射时，齿轮可实现亚微米级精度的旋转；通过调节激光强度，能精确控制转速；改变光的偏振方向，则可灵活切换旋转方向，如同一个精密的"光控旋钮"。

更令人惊叹的是，这些微型齿轮并非孤立存在。研究人员成功构建了由光驱动齿轮组成的传动系统，其中一个主动齿轮可带动整个齿轮链条协同运转。这种无接触式的动力传递方式，完美解决了传统机械耦合在微观尺度下的摩擦损耗问题，其运动效率是同尺度电磁驱动装置的3倍以上。

光与影的精密舞蹈

这项技术的核心秘密藏在齿轮表面的光学超材料中。这些人工设计的纳米结构能像宏观世界的齿轮齿形一样，将光的能量高效转化为机械扭矩。哥德堡大学研究团队负责人解释："当激光照射到超表面时，光子的动量会传递给齿轮，就像风吹动风车叶片。通过精确设计超表面的微观结构，我们能控制力的大小和方向。"

制造过程同样体现了微观制造的极致精度。研究团队采用与芯片制造同源的光刻技术，先在硅片表面涂上感光材料，再用激光在材料上"雕刻"出齿轮图案，最后通过蚀刻工艺形成三维结构。这种工艺能保证齿轮齿形的纳米级精度，使得多个齿轮啮合时的间隙控制在0.1微米以内，相当于头发直径的千分之一。

中国科学家在相关领域的研究也为这项技术提供了重要支撑。2025年5月，北京理工大学张帅龙教授团队在《Advanced Materials》发表的研究显示，光驱动微齿轮可实现三维跨平面运动，其30微米厚的齿轮翻转角速度达1.2弧度/秒。他们发现的"电子润滑"机制——齿轮表面电荷产生的2511.8皮牛排斥力，能有效减少摩擦，这与哥德堡大学的研究形成了跨洲际的科学呼应。

医疗领域的"微型革命"

在瑞士巴塞尔大学的生物实验室里，研究人员正测试一种搭载微型齿轮的靶向给药系统。当直径20微米的"药丸机器人"进入血管后，外部激光通过皮肤照射，激活内部光驱动齿轮组，精准控制药物释放速度。这种由哥德堡大学技术衍生的医疗装置，有望在2030年前实现临床应用，彻底改变癌症化疗等治疗方式的精准度。

医疗设备对微型传动系统的需求早已存在。CT扫描仪需要微米级精度的旋转控制，手术机器人的灵巧手依赖精密齿轮实现精细操作，自动输液泵则要求稳定的流量调节。但传统电磁电机的布线和电磁干扰问题，一直是植入式医疗设备的巨大障碍。光驱动微型齿轮无需电线连接，且激光可穿透人体组织精准控制，完美解决了这一困境。

更具革命性的应用出现在微流控芯片领域。这些被称为"芯片实验室"的微型装置，能在平方厘米尺度上实现化学分析、基因测序等复杂操作。通过集成光驱动齿轮泵，研究人员已实现每分钟纳升级别的液体流量控制，比传统微泵的精度提升两个数量级。这意味着未来的血液检测可能只需一滴血，在芯片上就能完成全部分析流程。

芯片里的"微型引擎"

当摩尔定律遭遇物理极限，芯片制造商们正迫切寻找新的性能突破路径。哥德堡大学的这项研究提供了一种全新思路——在芯片内部集成微型机械系统。"就像在集成电路上安装微型引擎，"研究团队成员甘王解释道，"这些光驱动齿轮可以控制光路切换、调节传感器灵敏度，甚至实现芯片内的热量管理。"

传统芯片完全依赖电子信号传递信息，而光驱动微机械系统则能在光子和机械运动之间建立桥梁。华为中央研究院的模拟显示，在5纳米工艺芯片中集成光驱动微型齿轮组，可使光互连模块的能耗降低40%，同时将数据传输速度提升至100Gbps以上。这种"光-机-电"融合的架构，可能成为突破算力瓶颈的关键。

在工业自动化领域，微型齿轮的应用同样前景广阔。瑞士钟表制造商斯沃琪已与哥德堡大学展开合作，计划将光驱动齿轮技术应用于下一代机械腕表。传统机械表的最小齿轮直径约0.3毫米，而采用新技术后，可在相同空间内集成10倍数量的齿轮，大幅提升计时精度。更重要的是，激光调校技术能实现传统工艺无法达到的精度控制。

从机械到光控的进化之路

微型电机的发展历程堪称一部微观尺度的工业发展史。20世纪50年代，首款商用微型电机直径达数厘米；到2025年，江苏雷利的10毫米空心杯电机已能实现35mN·m/kg的扭矩密度；而哥德堡大学的光驱动齿轮则将尺寸缩小到微米级别，完成了从机械驱动到电驱动再到光驱动的三级跳。

这场进化的核心挑战始终是动力传递方式。传统微型电机依赖电磁线圈产生动力，当尺寸小于0.1毫米时，线圈绕制和磁场控制变得极为困难。中国杭州贝丰科技2025年推出的10毫米无齿槽电机，虽将功率密度提升至7.13W/cm³，但仍未突破电磁驱动的本质限制。

光驱动技术的突破在于彻底重构了动力传递模式。通过双光子聚合技术（TPP），科学家已能制造出纳米级精度的三维结构，这种曾用于制造光子晶体的技术，如今与光驱动齿轮结合，产生了惊人的协同效应。中科院沈阳自动化研究所利用类似技术制造的微机械结构，已能引导干细胞定向生长，展示了微观制造技术在生物医学领域的巨大潜力。

微观世界的可持续发展

在瑞典皇家理工学院的未来实验室里，研究人员正构想更宏大的应用场景——太空微纳卫星。这些重量仅几公斤的微型卫星，若采用光驱动齿轮系统控制姿态，可彻底摆脱传统推进剂的限制。国际电信联盟（ITU）的太空可持续发展论坛已将这项技术列为减少太空垃圾的重要方向，因为无接触驱动能显著提高卫星部件的使用寿命。

地球环境监测领域同样受益。集成光驱动齿轮的微型传感器，可植入森林土壤或海洋深处，通过激光远程供电和控制，实现数十年的环境数据采集。与传统电池供电传感器相比，这种系统的维护成本降低90%以上，为气候变化研究提供了更持久的观测手段。

哥德堡大学的研究团队对未来充满信心。他们预测，随着材料技术的进步，光驱动齿轮的尺寸有望在5年内缩小至10微米以下，并实现批量生产。"这不仅是尺寸的缩小，更是制造理念的革新，"团队负责人在论文结语中写道，"当人类能像控制宏观机械一样精确操控微观世界，我们将开启一个全新的工业时代。"

从16微米的齿轮到未来的纳米工厂，这场微观世界的工业革命才刚刚开始。当光驱动技术与生物医学、集成电路、新能源等领域深度融合，我们或许会发现：真正的科技突破，往往就隐藏在那些需要显微镜才能看见的细节之中。正如半个世纪前集成电路的发明彻底改变了世界，这些转动在激光下的微型齿轮，正悄然预示着另一场技术革命的到来。

来源: 科普文迅