What is it about?
功能性微系统（如微型机器人）的动态性能依赖于微尺度运动副的精确一体化制造与功能集成。尽管点扫描技术赋予双光子光刻无与伦比的几何自由度与加工精度，但在液态光刻胶中成形的结构由于在加工过程中缺乏即时力学支撑，始终面临机械不稳定性问题，这一根本性制约阻碍了具备高自由度相对运动能力的真正自由形态三维结构的实现。 为突破这一瓶颈，本研究开发了一种兼具高粘度和显著屈服应力的环氧基光刻胶，用于可动部件的临时固定。该光刻胶在静止时呈现类固态行为，可为悬空结构提供稳固支撑，无需连续逐层堆叠；同时通过表面氟硅烷接枝实现可控相对运动。通过构建空心锥-悬浮球测试阵列，定量确定了动态部件与静态约束之间的最小加工间隙。研究还展示了一系列一体化三维运动副结构，包括多层悬空球壳、嵌套空心球、齿轮轴承及仿生摆动毛囊，这些结构均难以通过传统液态光刻胶实现。本研究为双光子体积3D打印提供了一种稳健的材料策略，为可直接使用的集成化微机械器件的制造铺平了道路。
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Photo by Steve A Johnson on Unsplash
Why is it important?
本研究解决了微纳制造领域一个长期存在的根本性矛盾：如何在微观尺度上，制造出既复杂精密、又真正可动的集成化机械系统，同时避免传统方法带来的破坏性后处理。 在微观世界，表面力（如毛细力和粘附力）远远超过重力。当研究人员使用双光子聚合技术制造微型齿轮、轴承或铰链时，通常需要用牺牲性支撑结构来固定这些微小的活动部件。问题在于，去除这些支撑结构的物理或化学过程，往往会导致活动部件发生不可逆的粘附或断裂，使得精心设计的微机械在即将“上岗”时功亏一篑。 此外，那些试图绕过支撑结构的设计方法，又极大地限制了结构的几何复杂度和设计自由度。 我们的工作从源头上解决了这个问题，其核心突破在于材料本身。通过开发一种具有高屈服应力的新型环氧光刻胶，我们让未固化的材料本身成为了临时支撑，从根本上消除了对任何牺牲结构的依赖。与此同时，我们创新的原位表面修饰技术解决了微尺度下另一个关键难题——活动部件的粘附问题，确保它们能在释放后依然保持低摩擦的运动状态。 这项研究为微机械系统的制造提供了一个真正的“一体化”解决方案。它不仅规避了支撑去除带来的损伤风险，更赋予微结构以设计的运动自由度，为开发下一代微型机器人、传感器和微机械系统铺平了道路。
Perspectives
这项技术的核心价值在于为微纳机器人的操控方式提供了全新的自由度。传统微制造方法中，活动部件往往被牺牲性支撑结构所束缚，去除这些支撑不仅工艺繁琐，更常因粘附或断裂导致器件失效，这本质上限制了微纳机器人运动模式的设计空间。 我们的方法通过高屈服应力光刻胶实现了复杂三维活动结构的一体化无支撑成型，并借助表面疏水修饰确保了活动部件在释放后依然能够低摩擦、低损伤地相对运动。这意味着，微纳机器人的设计不再受制于“能不能造出来”，而是可以更多地聚焦于“希望它如何运动”。无论是仿生毛囊的可控摆动，还是齿轮轴承的顺畅旋转，这些动态功能都在验证我们的材料与工艺策略能够支撑更加灵活动态的操控需求。 我相信，随着这项技术的进一步成熟，我们将有望在更小的尺度上构建出具有更高运动自由度和更强环境适应能力的微纳机器人系统。
Research Associate Zhi-Yuan Ma (马致远)
Yongjiang Laboratory
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This page is a summary of: Self-assembled monolayer enhanced support-free two-photon polymerisation for microscale kinematic pairs, Virtual and Physical Prototyping, June 2026, Taylor & Francis,
DOI: 10.1080/17452759.2026.2665992.
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