近年來，隨著軟體機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)在陸、海、空領(lǐng)域高速運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置需要更高的輸出功率。尤其在微型飛行器中，為了克服自重并實(shí)現(xiàn)起飛，需要讓驅(qū)動(dòng)器輸出功率密度達(dá)到一定閾值。
此外，軟體機(jī)器人系統(tǒng)依賴復(fù)雜的控制和外接電源供能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)無線自主運(yùn)動(dòng)方面提出了額外的挑戰(zhàn)。
相較于傳統(tǒng)的壓電陶瓷與介電彈性體等材料，刺激響應(yīng)聚合物可以對(duì)光做出響應(yīng)，為新一代遠(yuǎn)程操控機(jī)器人提供了設(shè)計(jì)思路。
近年來，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏教授課題組對(duì)光響應(yīng)聚合物的自激振蕩進(jìn)行了深入研究，這種現(xiàn)象模擬了自然界的自我調(diào)節(jié)機(jī)制，通過材料與光的動(dòng)態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)無線自調(diào)控驅(qū)動(dòng)，僅需遠(yuǎn)程能量輸入，無需人工干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)材料的動(dòng)態(tài)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
然而，現(xiàn)有光致振蕩驅(qū)動(dòng)器的輸出功率遠(yuǎn)低于昆蟲飛行肌肉（>29W/kg）或其他驅(qū)動(dòng)原理，主要痛點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)振蕩的條件通常要求材料柔軟易響應(yīng)，而這些材料難以實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)動(dòng)。
為克服這一難點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的光驅(qū)動(dòng)振蕩器設(shè)計(jì)思路，靈感源于昆蟲飛行肌肉中的兩組對(duì)抗肌肉結(jié)構(gòu)：背縱肌和縱向肌交替收縮，以實(shí)現(xiàn)高效振翅。
團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的振蕩器 FLaPTOR（Flapping LCE-and-PDMS Trilayer Oscillatory Robot）采用兩層光響應(yīng)液晶彈性體（LCE，Liquid Crystal Elastomer）和一層非活性彈性體組成的三明治結(jié)構(gòu)。兩片 LCE 膜在光照下產(chǎn)生對(duì)抗運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)周期振蕩。相比傳統(tǒng)單組份或雙層設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)顯著提升輸出功率密度至 33W/kg，相當(dāng)于昆蟲飛行肌肉的功率輸出。FLaPTOR 具備廣光譜響應(yīng)和多功能集成性，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，如基于撲翼模式的帆船行進(jìn)和雙向步行運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于相關(guān)論文，審稿人表示盡管多年來已出現(xiàn)多種軟聚合物驅(qū)動(dòng)器，但在自持性、強(qiáng)效性和多功能性上仍無法媲美自然的骨骼肌肉，因此看到這一長(zhǎng)期難題得到解決令人振奮。
課題組希望將現(xiàn)有成果應(yīng)用于智能無人機(jī)器人系統(tǒng)，覆蓋陸地、海洋和空中領(lǐng)域。傳統(tǒng)無人系統(tǒng)依賴電機(jī)扭矩驅(qū)動(dòng)輪子或螺旋槳，并搭載電池供能。而基于光致自激振蕩的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備利用遠(yuǎn)程能源或自然光持續(xù)供能的優(yōu)勢(shì)，減輕電池負(fù)擔(dān)并且可以獲得理論永久的續(xù)航時(shí)間。
同時(shí)，自激振蕩賦予了機(jī)器人自我控制的能力，使其更加智能。對(duì)于鳥類和昆蟲而言，扇動(dòng)翅膀以產(chǎn)生升力是主要的飛行模式，這種仿生扇翅提供動(dòng)力的模式也與軟體驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)模式高度契合。
在本研究中，具備自激振蕩模式的 FLaPTOR 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 33W/kg 的輸出功率。若這種驅(qū)動(dòng)模式的輸出功率進(jìn)一步提升，將有望實(shí)現(xiàn)仿鳥類和昆蟲的撲翼飛行模式，達(dá)到起飛和懸停。同時(shí)，隨著能量轉(zhuǎn)化率的提升，研究團(tuán)隊(duì)也期待能夠利用自然光直接驅(qū)動(dòng)并控制機(jī)器人前進(jìn)。
此外，F(xiàn)LaPTOR 具備高功率輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且多功能集成性強(qiáng)。課題組展示了該系統(tǒng)的自感知驅(qū)動(dòng)以及壓電/熱電納米發(fā)電功能。未來，這種高效無人機(jī)器人有望進(jìn)一步集成傳感和儲(chǔ)能功能。
事實(shí)上，在這篇論文發(fā)表之前，課題組在光響應(yīng)刺激響應(yīng)聚合物和光致自調(diào)控驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域已有多項(xiàng)相關(guān)研究，且這一方向的工作貫穿始終。正是在這些前期研究的支撐下，通過靈感的啟發(fā)與縝密的研究，研究團(tuán)隊(duì)才能順利完成并投稿發(fā)表。
過去幾年中，課題組在光致自調(diào)控驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了深入探索。例如，2019 年研究團(tuán)隊(duì)利用水凝膠實(shí)現(xiàn)了仿生向光性驅(qū)動(dòng) [1]，其中融合了光與材料的內(nèi)在調(diào)節(jié)反饋機(jī)制。同年，課題組進(jìn)一步將水凝膠光致自調(diào)控的“靜態(tài)”向光性擴(kuò)展為“動(dòng)態(tài)”的自激振蕩，通過調(diào)整材料的物化性質(zhì)放大了自調(diào)節(jié)負(fù)反饋回路，并探討了其在水下游泳機(jī)器人中的潛力 [2]。然而，研究團(tuán)隊(duì)也意識(shí)到，水凝膠的低力學(xué)模量限制了運(yùn)動(dòng)能力，而水下系統(tǒng)的高能耗進(jìn)一步影響了能量轉(zhuǎn)化效率。
在隨后的研究中，課題組選擇了液晶彈性體作為新材料，逐漸明確了研究的核心目標(biāo)，即打造一種能在日光下實(shí)現(xiàn)高效振動(dòng)輸出的可持續(xù)自主調(diào)控機(jī)器人材料。研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了液晶彈性體的化學(xué)組分和驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，使得驅(qū)動(dòng)器在低光源輸入下也能產(chǎn)生有效的振蕩并推動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng) [3]。
基于此，課題組進(jìn)一步構(gòu)想是否能夠通過這種自主調(diào)控的驅(qū)動(dòng)模式產(chǎn)生足夠高的動(dòng)力，例如模仿昆蟲翅膀的扇動(dòng)飛行。借鑒昆蟲體腔中對(duì)抗肌肉組織的結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了交替收縮的雙層肌肉結(jié)構(gòu)，從而使驅(qū)動(dòng)器獲得更高的功率輸出。
本次研究最終敲定的主題雖然是構(gòu)建出輸出功率最高的光致自激振蕩器，然而研究并不同于創(chuàng)作，往往并不從一開始就有明確的目的導(dǎo)向。
當(dāng)時(shí)，課題組正在研究一種雙層結(jié)構(gòu)：一層受光收縮，另一層保持不變，從而在光照下驅(qū)動(dòng)器向收縮的一層彎曲；當(dāng)彎曲到一定程度后，光被阻擋、材料冷卻恢復(fù)，使其重新暴露在光照下再次收縮，從而實(shí)現(xiàn)自激振蕩。
盡管這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了振蕩效果，但給人的直觀印象是一張紙片在隨風(fēng)飄蕩，難以將其視為真正的軟體機(jī)器人。
因此，研究團(tuán)隊(duì)自然的思考是否可以改進(jìn)這種結(jié)構(gòu)，既增強(qiáng)其堅(jiān)固性，又提高振蕩頻率和幅度。由于原結(jié)構(gòu)僅一側(cè)受光彎曲，冷卻只能依賴材料被動(dòng)散熱，效率偏低。課題組想到可以在不形變的一側(cè)增加再一個(gè)收縮層，從而使光照兩側(cè)都能實(shí)現(xiàn)收縮，中間一層則隔絕兩邊的“肌肉”。這一結(jié)構(gòu)的制備結(jié)果與研究團(tuán)隊(duì)的預(yù)期一致，給了課題組很大的信心。
隨后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了多次優(yōu)化，將其輸出功率從 3.6W/kg 提高到 33W/kg。與此同時(shí)，課題組對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并建立了多物理場(chǎng)仿真模型。在整個(gè)研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)不斷重復(fù)驗(yàn)證，證明高輸出功率并非偶然現(xiàn)象，并從多個(gè)研究角度對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)解釋，最終呈現(xiàn)出現(xiàn)在讀者面前的完整故事。
這項(xiàng)研究從發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、收集數(shù)據(jù)、撰稿、提交到最終發(fā)表，前后花了將近三年的時(shí)間，期間經(jīng)歷了許多挑戰(zhàn)。若要記錄最難忘的經(jīng)歷，便是對(duì)這一結(jié)構(gòu)的反復(fù)詮釋。
雖然電腦里存儲(chǔ)了數(shù)百個(gè)樣品在光照下激情擺動(dòng)的視頻，課題組始終無法回避、也不斷自問的問題是——為什么構(gòu)建三層結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)如此高的輸出功率？為什么單組分材料無法達(dá)到這樣的效果？外行人可能會(huì)覺得這只是一個(gè)經(jīng)典的三明治結(jié)構(gòu)，但為何他人未曾想到并實(shí)現(xiàn)這一效果？
這些問題本質(zhì)上是跳出了科研日常細(xì)碎的樣品制備、表征與分析，而是在更高視角下審視挖掘課題本身的創(chuàng)新性。這些問題在團(tuán)隊(duì)每個(gè)人的腦海中反復(fù)縈繞。每次小組討論參加的人與講的話題或許各不相同，但最終總會(huì)回歸到這些問題上來。
回想起來正是這些靈魂拷問，讓研究團(tuán)隊(duì)逐漸從最初的“困惑”中一步步接近答案。課題組進(jìn)行了非常嚴(yán)謹(jǐn)詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)探索，深入研究了結(jié)構(gòu)的彈性模量、振動(dòng)阻尼、熱傳導(dǎo)特性，材料在光照下的收縮做功能力，幾何因素與材料設(shè)計(jì)對(duì)輸出功率的影響等等，試圖從這些數(shù)據(jù)中找尋高功率的秘密。
研究團(tuán)隊(duì)也做了經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的功率和物理參數(shù)的擬合，借此發(fā)現(xiàn)高模量與高收縮率在實(shí)現(xiàn)高功率輸出中扮演主要角色。同時(shí)，課題組還搭建了多物理模擬模型，將材料的物理化學(xué)性質(zhì)表征數(shù)據(jù)輸入模型，進(jìn)行仿真分析。
值得一提的是，最初的模擬結(jié)果就已顯示出兩種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)象上的顯著差異。然而，研究團(tuán)隊(duì)并不認(rèn)為模擬是為了服務(wù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即止步讓兩者數(shù)據(jù)接近。相反，課題組認(rèn)為模擬和實(shí)驗(yàn)應(yīng)相互比較、多次優(yōu)化，以達(dá)到相互指導(dǎo)的效果。
研究團(tuán)隊(duì)多次調(diào)整邊界條件，雖然這個(gè)過程痛苦而漫長(zhǎng)，但最終實(shí)現(xiàn)了令人滿意的模型，甚至能夠完成對(duì)一些實(shí)驗(yàn)難以控制的物理量的預(yù)期。
日前，相關(guān)論文以《對(duì)抗性收縮的高功率光振蕩器用于多功能驅(qū)動(dòng)》（Antagonistic-contracting high-power photo-oscillators for multifunctional actuations）為題發(fā)在Nature Materials[4]，Yusen Zhao 是第一作者，賀曦敏擔(dān)任通訊作者。
總的來說，本次課題組開發(fā)了一種在恒定光照下驅(qū)動(dòng)的高功率輸出自激振蕩器。這種具有對(duì)抗肌肉設(shè)計(jì)的高性能驅(qū)動(dòng)器在無線自主機(jī)器人領(lǐng)域中具有巨大潛力。
后續(xù)工作包括基于這種振蕩裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料創(chuàng)新、機(jī)械制造、驅(qū)動(dòng)和控制的一系列整合。從振蕩器性能角度出發(fā)，研究人員將著重提升光熱能量轉(zhuǎn)化效率，并提升驅(qū)動(dòng)器效率以在維持振蕩功率密度的同時(shí)減少光能輸入。
課題組同時(shí)也在探索其他的光驅(qū)動(dòng)模式，例如多模態(tài)驅(qū)動(dòng)和協(xié)同振蕩，有望突破方向控制和單翼振蕩驅(qū)動(dòng)的限制，為未來應(yīng)用提供更多可能性。更重要的是，利用光驅(qū)動(dòng)的自主振蕩實(shí)現(xiàn)未來的飛行，更具有深遠(yuǎn)影響。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要一系列復(fù)雜研究，包括更強(qiáng)健的智能材料、更高功率的振蕩器、高效的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，以及多翼同步懸停的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等等。
參考資料：
1.Nature Nanotechnology, 2019, 14(11)
2.Science Robotics, 2019, 4(33)
3.Science Robotics, 2023, 8(77)
4.Zhao, Y., Liu, Z., Shi, P. et al. Antagonistic-contracting high-power photo-oscillators for multifunctional actuations.Nat. Mater.24, 116–124 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02035-3
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
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