軟材料驅動自主微型機器人的新篇章！
2024年10月4日，芬蘭坦佩雷大學曾浩副教授報告了一種以光為動力、能自我維持失衡運動的軟液晶彈性體環。在恆定的光激勵下，環形物會因零彈效能量模式（ZEEM）的形成而發生自發旋轉。透過利用動態摩擦或阻力，基於零彈效能量模式的運動方向可以在各種乾燥和流體環境中進行光學控制。作者展示了液晶彈性體環在斯托克斯狀態下橫向和縱向遊動的能力。環體導航可擴充套件到三維空間，遊動方向完全可控。相關研究成果以題為“Light-steerable locomotion using zero-elastic-energy modes”發表在《Nature Materials》上。
11月26日，浙江大學吳子良教授、鄭強教授團隊對該文章進行了總結和評述，以“Architectured soft materials as autonomous microrobots”為題發表在《Nature Materials》上。
吳子良教授和鄭強教授
在生物系統中，自主運動普遍存在。這些系統能夠從周圍環境中獲取能量，並透過反饋機制進行自我調節。然而，人工軟體機器人通常需要依賴動態刺激或獨立的控制系統來維持持續的變形和運動。關於在時間不變條件下實現自持續運動的連續體軟體機器人，相關報道很少，而能夠實現這一特性的微型化系統更是罕見。拓撲結構和對稱性破缺已被用於賦予軟材料物理智慧，使其能夠實現自調節驅動和運動。然而，設計能夠在多種環境中實現自持續運動和動態可控性的微型機器人，仍然是一個巨大的挑戰。
最近，發表在《Nature Materials》上的一項研究中，報道了一種毫米級環形機器人。該機器人透過利用光學控制的摩擦力和阻力，在持續照射下可以實現連續旋轉，並能夠在陸地和流體環境中進行定向運動。這種微型機器人是透過將液晶彈性體（LCE）纖維的兩端連線形成環形結構製成的。該設計引入了零彈效能模式，從而支援自主運動。零彈效能模式指的是具有連續對稱性破缺的凝聚態物質中，以幾乎無需能量成本的方式存在的“流體動力學”狀態，例如液晶的向列相。Baumann及其團隊曾將這一概念擴充套件到彈性材料領域，並用零彈效能模式描述了尼龍和聚二甲基矽氧烷環狀結構在加熱板上表現出的自持續旋轉現象。具有零彈效能模式的軟材料的特點在於，它們在運動過程中具有自相似的形態和平坦的能量分佈，就像一個球體在水平面上滾動的狀態。製造過程中引入的預應變消除了環形結構旋轉所需的能量障礙，使零彈效能模式得以實現。在外部刺激下，產生的扭矩使環形結構持續旋轉。整個結構的協同變形提供了一種集體智慧，使其能夠實現自調節和持續運動。零彈效能模式已被證明是一種有效的機制，可以促成具有結構設計的材料在非平衡狀態下的運動（圖1a）。
圖 1：拓撲結構促進的材料在恆定刺激下的自主運動
該研究利用液晶彈性體纖維的快速各向異性響應，設計出了一種環形微型機器人。這些纖維的熱膨脹係數（α）可以透過介晶分子沿長軸或垂直於長軸的排列方式來調控。當受熱或照射時，纖維表現出可逆的收縮（α < 0）或膨脹（α > 0）。當LCE環放置在加熱板上時，由製造過程中的預應變引發的熱應變垂直於原始預應變方向。這種靜態與動態應變的耦合產生了一個扭矩，使環能夠克服阻力並旋轉。環的幾何特性使其傾向於將熱收縮區域與內圈幾何壓縮區域對齊，從而實現了能量最優狀態。
當環形結構在持續光照下受到光熱應變啟用時，也可以實現自持續旋轉。這種光熱應變作用於環的當前頂面，使其旋轉方向與加熱板上的旋轉方向相反。遠端的光刺激激活了零彈效能模式（ZEEMs），並賦予了環形機器人動態操控能力，這是實現無線微型機器人的關鍵。透過定向光照，LCE環展示了多種環境下的運動能力。在陸地環境中，傾斜的光照改變了環的溫度分佈，生成了對基底的非對稱摩擦力。靠近光源的一側溫度更高，材料變得更柔軟，摩擦力增大，因此環形結構在旋轉的同時會向遠離光源的方向移動，這與加熱板上的隨機平移運動不同。
在另一項實驗中，研究團隊將環（α < 0）懸掛在一根細線上，透過水平光照實現了逆向旋轉和向光移動。環與細線的接觸提供了靜摩擦力，使其能夠穩定移動。曾浩副教授團隊還展示了環在充滿甘油的玻璃導管內的可控運動。在光照下，與導管內表面緊密接觸的環的外圈產生了持續旋轉，同時摩擦力驅動環（α > 0）向光源方向移動。
更令人印象深刻的是，這項研究還實現了環在Stokes流動（以粘性力為主導的運動環境）中的光控遊動。研究團隊透過光照驅動環並在高粘性液體（雷諾數約為0.0001）中操控其運動，克服了這一挑戰。當從頂部照射時，環（α > 0）發生外翻旋轉，自動遊向光源。旋轉產生的粘性阻力與環的表面積相關，環外表面的阻力較大，使其向光方向遊動。而當α < 0時，環則朝遠離光源的方向遊動。透過傾斜光照改變環周圍的阻力分佈，可以重新調整其遊動方向。靠近光源的一側溫度較高，使周圍環境的粘性降低，阻力減小，從而成為環的錨點，使其逐步調整方向朝向光源，直到光照分佈均勻。這種光碟機動的方向調整使環能夠在三維空間中實現受控軌跡導航。
該研究凸顯了零彈效能模式在設計自持續非平衡運動軟體機器人中的多樣性和潛力。這種毫米級LCE環利用光作為能源和操控工具，在多種環境中展示了自主旋轉和平移能力。儘管手工製造目前限制了更復雜架構的微型機器人設計，這項工作加深了對非平衡原理的理解，併為設計仿生軟體機器人開闢了新方向。研究結果提醒機器人領域，拓撲結構和對稱性在物理智慧中的重要性，並啟發探索軟體機器人動態操控性的策略。這些原理也適用於其他材料，助力開發更小、更靈活、適應更多極端環境的連續體軟體機器人。
來源：高分子科學前沿
宣告：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
