摘要：2024年10月4日，芬兰坦佩雷大学曾浩副教授报告了一种以光为动力、能自我维持失衡运动的软液晶弹性体环。在恒定的光激励下，环形物会因零弹性能量模式（ZEEM）的形成而发生自发旋转。通过利用动态摩擦或阻力，基于零弹性能量模式的运动方向可以在各种干燥和流体环境中进
软材料驱动自主微型机器人的新篇章！
2024年10月4日，芬兰坦佩雷大学曾浩副教授报告了一种以光为动力、能自我维持失衡运动的软液晶弹性体环。在恒定的光激励下，环形物会因零弹性能量模式（ZEEM）的形成而发生自发旋转。通过利用动态摩擦或阻力，基于零弹性能量模式的运动方向可以在各种干燥和流体环境中进行光学控制。作者展示了液晶弹性体环在斯托克斯状态下横向和纵向游动的能力。环体导航可扩展到三维空间，游动方向完全可控。相关研究成果以题为“Light-steerable locomotion using zero-elastic-energy modes”发表在《Nature Materials》上。
11月26日，浙江大学吴子良教授、郑强教授团队对该文章进行了总结和评述，以“Architectured soft materials as autonomous microrobots”为题发表在《Nature Materials》上。
吴子良教授和郑强教授
在生物系统中，自主运动普遍存在。这些系统能够从周围环境中获取能量，并通过反馈机制进行自我调节。然而，人工软体机器人通常需要依赖动态刺激或独立的控制系统来维持持续的变形和运动。关于在时间不变条件下实现自持续运动的连续体软体机器人，相关报道很少，而能够实现这一特性的微型化系统更是罕见。拓扑结构和对称性破缺已被用于赋予软材料物理智能，使其能够实现自调节驱动和运动。然而，设计能够在多种环境中实现自持续运动和动态可控性的微型机器人，仍然是一个巨大的挑战。
最近，发表在《Nature Materials》上的一项研究中，报道了一种毫米级环形机器人。该机器人通过利用光学控制的摩擦力和阻力，在持续照射下可以实现连续旋转，并能够在陆地和流体环境中进行定向运动。这种微型机器人是通过将液晶弹性体（LCE）纤维的两端连接形成环形结构制成的。该设计引入了零弹性能模式，从而支持自主运动。零弹性能模式指的是具有连续对称性破缺的凝聚态物质中，以几乎无需能量成本的方式存在的“流体动力学”状态，例如液晶的向列相。Baumann及其团队曾将这一概念扩展到弹性材料领域，并用零弹性能模式描述了尼龙和聚二甲基硅氧烷环状结构在加热板上表现出的自持续旋转现象。具有零弹性能模式的软材料的特点在于，它们在运动过程中具有自相似的形态和平坦的能量分布，就像一个球体在水平面上滚动的状态。制造过程中引入的预应变消除了环形结构旋转所需的能量障碍，使零弹性能模式得以实现。在外部刺激下，产生的扭矩使环形结构持续旋转。整个结构的协同变形提供了一种集体智能，使其能够实现自调节和持续运动。零弹性能模式已被证明是一种有效的机制，可以促成具有结构设计的材料在非平衡状态下的运动（图1a）。
图 1：拓扑结构促进的材料在恒定刺激下的自主运动
该研究利用液晶弹性体纤维的快速各向异性响应，设计出了一种环形微型机器人。这些纤维的热膨胀系数（α）可以通过介晶分子沿长轴或垂直于长轴的排列方式来调控。当受热或照射时，纤维表现出可逆的收缩（α 0）。当LCE环放置在加热板上时，由制造过程中的预应变引发的热应变垂直于原始预应变方向。这种静态与动态应变的耦合产生了一个扭矩，使环能够克服阻力并旋转。环的几何特性使其倾向于将热收缩区域与内圈几何压缩区域对齐，从而实现了能量最优状态。
当环形结构在持续光照下受到光热应变激活时，也可以实现自持续旋转。这种光热应变作用于环的当前顶面，使其旋转方向与加热板上的旋转方向相反。远程的光刺激激活了零弹性能模式（ZEEMs），并赋予了环形机器人动态操控能力，这是实现无线微型机器人的关键。通过定向光照，LCE环展示了多种环境下的运动能力。在陆地环境中，倾斜的光照改变了环的温度分布，生成了对基底的非对称摩擦力。靠近光源的一侧温度更高，材料变得更柔软，摩擦力增大，因此环形结构在旋转的同时会向远离光源的方向移动，这与加热板上的随机平移运动不同。
在另一项实验中，研究团队将环（α 0）向光源方向移动。
更令人印象深刻的是，这项研究还实现了环在Stokes流动（以粘性力为主导的运动环境）中的光控游动。研究团队通过光照驱动环并在高粘性液体（雷诺数约为0.0001）中操控其运动，克服了这一挑战。当从顶部照射时，环（α > 0）发生外翻旋转，自动游向光源。旋转产生的粘性阻力与环的表面积相关，环外表面的阻力较大，使其向光方向游动。而当α
该研究凸显了零弹性能模式在设计自持续非平衡运动软体机器人中的多样性和潜力。这种毫米级LCE环利用光作为能源和操控工具，在多种环境中展示了自主旋转和平移能力。尽管手工制造目前限制了更复杂架构的微型机器人设计，这项工作加深了对非平衡原理的理解，并为设计仿生软体机器人开辟了新方向。研究结果提醒机器人领域，拓扑结构和对称性在物理智能中的重要性，并启发探索软体机器人动态操控性的策略。这些原理也适用于其他材料，助力开发更小、更灵活、适应更多极端环境的连续体软体机器人。
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来源：晴晴说科学