歷經(jīng)5億年的演化，節(jié)肢動(dòng)物的復(fù)眼已經(jīng)進(jìn)化成了一套結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能*的成像系統(tǒng)，節(jié)肢動(dòng)物可以通過復(fù)眼，以極大視場(chǎng)角的全景模式，結(jié)合深度感知的能力洞察周邊的事物。由于復(fù)眼在成像方面的諸多優(yōu)勢(shì)，研究人員不斷提出各種制備仿生復(fù)眼的方案，但是，自然復(fù)眼的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，傳統(tǒng)微加工工藝無法實(shí)現(xiàn)自然復(fù)眼的真實(shí)結(jié)構(gòu)，過去所研制的仿生復(fù)眼無法適用于普通光學(xué)元件及圖像傳感器，這使得仿生復(fù)眼的應(yīng)用受到了極大的限制。
近日，上海理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)者張大偉教授帶領(lǐng)的超精密光學(xué)制造團(tuán)隊(duì)在莊松林院士的領(lǐng)導(dǎo)下，戴博教授及同事、張良等碩士研究生與美國(guó)杜克大學(xué)Tony Jun Huang教授課題組、戴頓大學(xué)趙乘龍教授課題組、南加州大學(xué)John Mai研究員合作，提出了一種基于微流體輔助3D打印的微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，并將該技術(shù)用于制備仿生復(fù)眼。
圖一左圖：螞蟻的復(fù)眼，右圖：基于微流體輔助3D打印技術(shù)制備的仿生復(fù)眼
仿生復(fù)眼的具體加工工藝如下：利用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S130,P140，摩方精密）制備出超高精度的復(fù)眼模具及基底。模具為一個(gè)半球形凹坑，在坑內(nèi)密布了圓柱陣列；基底為一個(gè)半球體，內(nèi)部含有與圓柱陣列等量的微管道。然后，對(duì)模具進(jìn)一步處理，在凹坑內(nèi)填上光敏樹脂，利用勻膠機(jī)作甩膠處理。當(dāng)適度控制勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，凹坑中的膠會(huì)被*甩出，而圓柱陣列中會(huì)殘留部分光敏膠。靜止一段時(shí)間后，圓柱陣列中的膠由于受到毛細(xì)力的作用，液面會(huì)下凹。經(jīng)UV固化后，復(fù)眼模具便完成了。最后，將半球體基底倒扣在凹坑中，注滿彈性樹脂，經(jīng)熱固化后，取出半球體，便能獲得一顆仿生復(fù)眼。
在此工作中，研究人員實(shí)現(xiàn)了高度仿生的復(fù)眼，5毫米直徑半球狀的仿生復(fù)眼擁有多達(dá)12,000多顆子眼。結(jié)構(gòu)與自然復(fù)眼高度相似，具有角膜(cornea lens)、晶錐(crystalline cone)、感桿束 (rhabdome)等核心元素。除了結(jié)構(gòu)，所制得的仿生復(fù)眼在功能上也能與自然復(fù)眼媲美。研究人員將仿生復(fù)眼結(jié)合傳統(tǒng)二維圖像傳感器，即可實(shí)現(xiàn)超大視場(chǎng)全景、全彩成像，還演示了在三維空間內(nèi)對(duì)光源精準(zhǔn)定位。
圖二仿生復(fù)眼的制備流程圖
圖三利用仿生復(fù)眼觀察發(fā)紅光的X標(biāo)記以及跟蹤發(fā)藍(lán)光的三角標(biāo)記
該成果以“Biomimetic apposition compound eye fabricated using microfluidic-assisted 3D printing"為題發(fā)表在Nature子刊Nature Communications上。
文章鏈接：
https://www.nature。。ｃｏｍ/articles/s41467-021-26606-z
NatureCommunications volume 12, Articlenumber: 6458 (2021)
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