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2025

一束光让微器件“蹦”出新高度

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浙江农林大学戴朝卿教授团队与加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授团队合作，在Science期刊发表了题为“Launching by Cavitation”的研究论文。该研究创新性地提出并验证了一种基于空化效应的高效发射机制，突破了传统弹性驱动与相变驱动在能量密度与释放速率方面的限制，为空化效应的有益利用提供了新途径。通过激光精确控制液体中气泡的剧烈溃灭过程，将传统上具有破坏性的空化现象转化为可控、高效的动力源，成功实现了微小型器件的高速跳跃、游泳和精准运动，在机器人、精密操作和生物医学等领域展现重要应用潜力。

论文第一作者为王大磊副教授；共同第一作者为刘梓虓，赵鸿萍，秦焕奇；通讯作者为刘威副教授、王丹副教授、周国泉教授、贺曦敏教授和戴朝卿教授。

极限性能：重新定义微尺度运动标准

借助微秒级高速成像系统，团队完整捕捉并分析了空化气泡从成核到溃灭作用于微型器件的全过程，实现运动可视化。该机制带来运动性能的全面突破：跳跃高度达1.5米（为其体长的1500倍），起飞速度12 m/s，加速度超过7×10⁴ m/s²，能量效率0.64%；同时实现微秒级时间控制、亚微米级空间定位和纳牛级力调控精度，耐久性超过500次循环。各项性能指标较现有技术提升2–3个数量级，重新设定了微尺度运动的性能极限。

机制解析：光-热-力-流多场耦合精密控制

研究团队通过多尺度实验与模拟，系统揭示了光控空化的三步耦合机制：首先，TiC纳米颗粒在808 nm激光照射下发生局域表面等离子体共振，光热转换效率高达84.47%，可在微秒级时间内将界面温度提升至303.1℃；其次，采用Gilmore模型描述“类孤子”气泡演化，发现其收缩阶段速度可达571 m/s，溃灭时间仅8.4 μs，揭示了微秒级能量释放机制；最后，通过VOF多相流模拟再现了高速射流（10.2 MPa）的产生过程，阐明能量从微观气泡到宏观运动的传递路径。

理论创新：实现从现象到定量预测的跨越

在理论层面，该研究取得三项重要突破：建立了光控空化的定量预测模型，可准确预测不同材料与液体环境中的空化阈值和能量输出；提出空化能量调控理论，通过激光强度、光斑位置和照射时间等参数的精确调控，实现微牛至毫牛量级的力输出和运动方向控制；发展多物理场耦合数值方法，将光热效应、相变过程、流体动力学和固体力学统一于同一框架，完成全过程的高精度模拟。

应用与总结

该机制展现出广泛的适用性：在材料方面，适用于金属、碳材料和聚合物等多种光热材料；在环境方面，在水、甘油和PVA溶液等不同介质中均有效；在激发方式上，兼容光热、电火花和超声波等多种形式；在尺度上，覆盖从微米到毫米级别，遵循相同物理规律。在仿生应用上，可以实现空化播种醋酱草种子（距离 >0.7m），变色龙捕食过程，射水鱼捕食，这种高度的普适性为其跨领域应用提供了坚实理论基础。

该研究不仅解决了空化领域长期存在的基础科学问题，更建立了一种全新的精准微操控物理范式：实现了空化行为从随机、破坏性到可控、动力性的转变；将空化效应成功拓展至微尺度精准操控领域；构建了多场耦合的理论与实验框架；完成了从定性描述到定量预测的跨越。这一突破不仅推动了空化物理的发展，也为微纳制造、生物医学和精密操控等领域提供了全新的技术路径与理论支撑。