中国光学 本文由论文作者团队投稿
导读
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。
一、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。
图1：空化发射性能
图源：Science
二、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。
图2：空化发射机理
图源：Science
三、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。
图3：空化发射控制
图源：Science
四、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。
图4：变色龙捕食
图5：空化发射过程
图6：模拟空化发射过程
作者简介
王大磊
现任浙江农林大学光机电与工程学院副教授,硕士研究生导师，毕业于苏州大学功能纳米与软物质研究院。研究方向包括光响应性智能材料；光驱动微/纳米机器人控制与导航；新型发光材料与器件等。迄今为止，在Science、Nature communications、PNAS、Chemical Engineering Journal、Chinese Chemical Letters、Laser & Photonics Reviews、Advanced Optical Materials、Materials & Design、Applied Materials Today等国际期刊上发表学术论文20余篇，其中第一作者或通讯作者18篇。
刘子虓
加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学与工程系博士生。迄今为止，在Science, Nature Materials, Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials, AIAA Journal, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Aerospace Science and Technology等期刊上发表论文20余篇。其研究聚焦于：通过固体力学、结构动力学、统计力学等方法，研究高分子材料的微观相互作用及宏观属性、软材料的自激发振动及自主运动、复杂器件的多物理场仿真等。
刘威
现任浙江农林大学光机电工程学院副教授，浙江省青年科学家协会会员（智能制造专委会委员），浙江省光学学会会员；研究聚焦于感知技术与装备研究，具体分为以下三个方向：（1）光驱动微纳米机器人；（2）光感知技术机制及装备研究；（3）机器学习人工智能算法研究。以第一作者或通讯作者（含共同）在Science、Nature Communications等期刊上发表论文50余篇，被引1703次，H指数24，同时是Nature Communications在内的50个国际或国内期刊的审稿人。
贺曦敏
现任加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学与工程系教授，并任职于加州纳米系统研究所（CNSI）。曾于哈佛大学工程与应用科学学院、威斯生物启发工程研究所担任博士后研究员，获剑桥大学梅尔维尔高分子合成实验室化学博士学位。研究聚焦于仿生软材料与结构聚合物，探索其物理、机械、电学及光热特性，在生物医学、能源、环境与机器人等领域具有广泛应用。曾荣获美国国家科学基金会CAREER奖、空军科研办公室青年 Investigator 奖、加拿大高等研究院全球学者奖、国际工程科学学会青年 Investigator 奖章、摩尔基金会学者奖、强生WiSTEM2D 女性科学家奖、国际仿生工程学会杰出青年奖、《先进材料》新星奖、3M 非终身教职教师奖、赫尔曼学者奖以及 UCLA 教师职业发展奖等多项荣誉。在仿生坚韧水凝胶、向光性材料、趋光性材料、稳态材料及防冰材料等方面的研究成果已获得多项地区与国际奖项，并被全球超过100家新闻媒体报道。
戴朝卿
现浙江农林大学光机电与工程学院教授，博导。连续入选2014-2024年度中国高被引学者、全球前十万科学家、省151人才工程第二层次，获浙江省杰出青年基金。获浙江省三育人先进个人、浙江省高校优秀共产党员、浙江省优秀科技工作者、浙江省教育系统家庭事业兼顾型先进个人等荣誉。研究聚焦于智能光电子技术及农林应用，非线性物理等方面。以第一或通讯作者在Science、Laser & Photonics Reviews、SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy、Communications Physics等期刊发表200多篇论文，ESI热点论文12篇、高被引论文20篇，论文累计被引超过10000次，H-index为59。科学出版社专著3本，授权国家发明专利16项。主持国家自然科学基金项目6项、省自然科学基金项目3项，成果曾获浙江省自然科学二、三等奖、浙江省优秀教学成果奖二等奖。
论文信息
Dalei Wang et al. , Launching by cavitation.Science 389, 935-939(2025)
https://doi.org/10.1126/science.adu8943
