軟體機器人以其固有的機械柔順性和廣泛的軟性材料選擇推動著傳統(tǒng)機器人的發(fā)展。隨著軟體機器人的快速發(fā)展，全自主運動成為高度追求的目標(biāo)，尤其是它們的運動可以通過環(huán)境能量和自我調(diào)節(jié)來驅(qū)動。

 

　　刺激-響應(yīng)聚合物為自主運動提供了機會，甚至使其具有與生命類似的智能，以與環(huán)境互動和自適應(yīng)，環(huán)境刺激可能能夠作為燃料和信號來驅(qū)動和調(diào)節(jié)軟體機器人。然而，傳統(tǒng)刺激-響應(yīng)材料難以實現(xiàn)在無控制情況下的自我維持的往復(fù)運動。目前，刺激-響應(yīng)聚合物的光致自激振蕩行為可以通恒定光源實現(xiàn)自主運動，這將呈現(xiàn)出一種在能源供應(yīng)和運動控制方面的自我維持的模式。這些光致機械振蕩大多依靠于自調(diào)節(jié)負(fù)反饋環(huán)路引起自身遮擋效應(yīng)。然而，在現(xiàn)有環(huán)境光源的有限功率密度下，產(chǎn)生振蕩變得具有挑戰(zhàn)性。

 

　　有鑒于此，近日，加州大學(xué)洛杉磯分校的賀曦敏教授課題組基于液晶彈性體（LCE）制備了一種LCE/PDMS雙層懸臂梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于以光致自激振蕩為機理的全自主軟體機器人。通過多物理建模指導(dǎo)，研究者成功地改善雙層結(jié)構(gòu)的光機械能轉(zhuǎn)化，并將所需輸入光強降低到約一個太陽水平。低光強入射LCE/PDMS雙層結(jié)構(gòu)振蕩器“LiLBot”在低能量供應(yīng)下實現(xiàn)了自主運動，得益于特別設(shè)計的高光熱轉(zhuǎn)換效率、低模量和高材料響應(yīng)性。LiLBot可以在4度至72度的振幅（2A）和0.3赫茲至11赫茲的頻率下進(jìn)行調(diào)制。該振蕩材料為設(shè)計自主、遠(yuǎn)程和可持續(xù)的小型軟體機器人提供了策略，例如帆船和行走機器人。

 

　　值得一提的是研究者最后模仿蝴蝶翅膀運動，實現(xiàn)了光驅(qū)動的微型雙翅協(xié)同振動。研究者采用了獨特的幾何形狀和機械特性來解決翅膀振動方向與光照方向不對齊，振動相位不同，和頻率不協(xié)同的問題，并成功實現(xiàn)了對翅膀進(jìn)行協(xié)同振動。通過實驗和模擬，研究人員證明了翅膀的對稱性和材料阻尼性質(zhì)是實現(xiàn)協(xié)同振動的關(guān)鍵因素。此外，作者還討論了翅膀的幾何形狀和光強度對協(xié)同振動的影響，并提出了未來改進(jìn)的方向。

 

　　該研究以題為“Sunlight-poweredself-excitedoscillatorsforsustainableautonomoussoftrobotics”的論文發(fā)表在《ScienceRobotics》上。

　　圖1.LiLBot的設(shè)計。（A）LiLBot光致振蕩示意圖。（B）當(dāng)觸發(fā)開始振蕩時，光熱機械系統(tǒng)的溫度-角度曲線。深藍(lán)色曲線是由模擬產(chǎn)生的從擾動到穩(wěn)定振蕩的時間分辨圖。紅色曲線顯示LiLBot的熱機械彎曲（角度θ）隨著溫度（T）的升高，藍(lán)色曲線顯示光熱自遮蔽效應(yīng)，在更高的彎曲角度下導(dǎo)致溫度下降。該振蕩依靠于對材料的設(shè)計，包括高光熱轉(zhuǎn)化（C），低儲存模量和損耗模量（D），調(diào)節(jié)PDMS厚度提高LiLBot的響應(yīng)性（E）。

　　圖2.LiLBot的振蕩表征。(A)實際振蕩照片。(B)不同PDMS厚度振蕩工作窗口。(C)模擬和實驗結(jié)果的比較。(D至F)在水平光入射條件下，不同光強的振蕩頻率、振幅和產(chǎn)生能量密度的變化。(G至I)在垂直入射條件下，由太陽模擬器提供動力的振蕩的序列快照，角度變化和頻率。(H)頻率的傅立葉變換。(J和K)由自然陽光提供動力的振蕩的序列快照和角度變化。

　　圖3.振蕩器在軟體機器人中的應(yīng)用。(A)帆船、步行器和滾筒的示意圖。(B)在水平光下帆船的連續(xù)快照。(C)帆船的移動距離隨時間的變化。(D)行波式步行器在一個周期內(nèi)的連續(xù)快照。(E)步行機器人連續(xù)快照。(F)滾筒形式的機器人在60秒內(nèi)的連續(xù)快照。(G)行波式步行器和滾筒的移動距離隨時間的比較。

　　圖4.協(xié)同振蕩形式的仿蝴蝶翅膀扇動。（A）基于LiLBot的仿生蝴蝶照片。（B,C）協(xié)同振蕩的前視圖。（D）蝴蝶翅膀系統(tǒng)的模態(tài)空間。（E）單翅振蕩表征。（F）頻率，（G）在XY平面內(nèi)的頂端軌跡，（H）兩個翅膀在同步狀態(tài)下的歸一化振幅和相位。

 

　　總結(jié)：該研究報道了一種以恒定，低光強為能源驅(qū)動的液晶彈性體(LCE)雙層振蕩器。其能量輸入約比現(xiàn)有液晶彈性體或者液晶網(wǎng)絡(luò)材料低75%。這種溫和的工作窗口受益于LCE低轉(zhuǎn)變溫度，高光熱效率、高響應(yīng)性和低模量。利用這種設(shè)計的液晶彈性體材料可以為自持續(xù)陸地、水面及今后空中機器人提供思路。

 

　　該工作是團(tuán)隊近期關(guān)于光致刺激響應(yīng)材料的進(jìn)展之一。在過去幾年中，團(tuán)隊進(jìn)行了其他相關(guān)研究，包括仿生向光性驅(qū)動(NatureNanotechnology,2019,14(11),)，自傳感驅(qū)動(ScienceRobotics,2021,6(53).)，水凝膠光致振蕩機器人(.ScienceRobotics,2019,4(33).)，及液晶彈性體光致振蕩(JournalofCompositeMaterials,2023,57(4),633-644.)等。

 

　　通訊作者簡介：

 

　　賀曦敏是加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系教授和加州納米體系研究所（CNSI）的成員。她在劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位并在哈佛大學(xué)進(jìn)行博士后研究。她的主要研究方向包括刺激響應(yīng)性材料、仿生功能材料、化學(xué)和生物傳感器、驅(qū)動器等，并將其應(yīng)用于生物醫(yī)藥、環(huán)境、機器人和能源領(lǐng)域。她已經(jīng)在Nature,NatureChemistry,ScienceRobotics,NatureNanotechnology,ScienceAdvances等雜志發(fā)表了60余篇高水平論文、書籍和專利。她獲得的榮譽包括YoungInvestigatorMedaloftheSocietyofEngineeringScience(SES),3MNon-tenuredFacultyAward,CIFARAzrieliGlobalScholar,InternationalSocietyofBionicEngineering(ISBE)OutstandingYouthAward,NationalScienceFoundationCAREERAward,AirForceOfficeofScientificResearchYoungInvestigatorProgram(AFOSRYIP)Award,HellmanFellowsAward,以及UCLAFacultyCareerDevelopmentAward。她的關(guān)于自調(diào)制材料，人工向光材料，及柔性機器人等研究獲得了一系列地區(qū)和國際的獎勵，并且受到了百余家新聞媒體報道。