Une équipe de recherche chinoise a réalisé une nouvelle avancée dans le domaine de la manipulation micro-nano. Une équipe collaborative de l'Université d'Anhui et de l'Université des Sciences et Technologies de Chine a réussi à développer une micropince optique tridimensionnelle intégrée à l'extrémité d'une fibre optique, permettant une manipulation tridimensionnelle de haute précision, à faible dommage et programmable de cibles à l'échelle micrométrique. Les résultats correspondants ont été publiés dans la revue académique internationale Nature.
Cette étude répond aux goulots d'étranglement persistants des technologies de micro-manipulation existantes. Les pinces optiques traditionnelles présentent des avantages tels que le contact non physique et une haute précision, mais leur force de sortie est faible, et elles imposent des exigences élevées en matière de transparence de la cible et d'environnement opérationnel. Les micro-pinces mécaniques, pneumatiques ou hydrauliques peuvent fournir des forces plus importantes, mais la taille du système et la structure d'entraînement externe sont complexes, ce qui rend difficile l'accès à des espaces étroits de l'ordre de la centaine de micromètres, comme les micro-vaisseaux sanguins et les canaux biliaires.
L'équipe de recherche a proposé une méthode de fabrication composite par laser femtoseconde pour les dispositifs intégrés sur fibre, construisant une micropince optique tridimensionnelle à l'extrémité d'une fibre optique commerciale. Ce dispositif intègre la transmission de la lumière, la conversion photothermique, la réponse des matériaux souples et la sortie mécanique des microstructures rigides à l'extrémité d'une seule fibre optique, faisant de celle-ci non plus seulement un canal de transmission de signaux lumineux et d'énergie lumineuse, mais aussi une plateforme intégrée capable d'effectuer des opérations mécaniques à l'échelle micrométrique.
La logique de fonctionnement de la micropince optique tridimensionnelle est similaire à celle d'une « mini-main agile » à l'échelle cellulaire. La source lumineuse externe, après transmission par la fibre optique jusqu'à la microstructure à son extrémité, déclenche une réponse du matériau et une déformation de la microstructure, qui sont ensuite converties en mouvements d'ouverture-fermeture contrôlables et en sortie mécanique. En ajustant la puissance de la lumière d'entrée, les chercheurs peuvent contrôler en continu l'état d'ouverture-fermeture de la micropince et l'amplitude de la force, réalisant ainsi une micro-manipulation de précision où « la lumière contrôle la force ».
Les résultats expérimentaux montrent que la force de sortie de cette nouvelle micropince est plus de cent mille fois supérieure à celle des pinces optiques traditionnelles. Elle peut non seulement manipuler avec précision des cibles à l'échelle micrométrique, mais aussi effectuer l'assemblage de microstructures complexes et l'échantillonnage à l'échelle micrométrique dans des espaces étroits de l'ordre de la centaine de micromètres. L'article correspondant présente également les applications potentielles de ce dispositif dans la manipulation tridimensionnelle fine de cellules uniques, l'assemblage de structures mécaniques miniatures et l'échantillonnage biomimétique en environnements confinés.
L'usinage micro-nano par laser femtoseconde est un support important de ces résultats. Cette technologie permet d'usiner des structures tridimensionnelles complexes à l'échelle micrométrique, voire nanométrique, et, combinée à une conception multi-matériaux, de former des microsystèmes dotés de capacités d'actionnement, de réponse et de sortie mécanique. Pour un espace aussi réduit que l'extrémité d'une fibre optique, une capacité d'usinage de haute précision détermine directement si le dispositif peut réaliser une ouverture-fermeture stable, une préhension contrôlable et des opérations répétables.
Ces résultats ouvrent de nouvelles voies technologiques dans des domaines tels que les sciences de la vie et de la santé, la médecine mini-invasive, la manipulation cellulaire et la fabrication avancée. À l'avenir, si la micropince optique tridimensionnelle peut être validée davantage en termes de biocompatibilité, de stabilité, de fabrication en série et dans des scénarios cliniques, elle pourrait être utilisée dans des domaines tels que la manipulation de cellules uniques, l'échantillonnage à l'échelle micrométrique, les outils endoscopiques mini-invasifs et l'assemblage de microstructures complexes.
Les recherches ultérieures se concentreront sur la fiabilité du dispositif, la sécurité opérationnelle, la capacité d'adaptation à différents échantillons biologiques et le degré d'intégration du système. La micropince optique tridimensionnelle nécessite encore des validations supplémentaires avant de pouvoir être utilisée dans des applications médicales ou industrielles réelles, mais ses caractéristiques de force de sortie élevée, de miniaturisation et d'intégration sur fibre pour la manipulation de précision à l'échelle micrométrique ont déjà fourni une nouvelle direction de conception pour les outils de manipulation micro-nano.