UCLA贺曦敏教授《Science Robotics》：太阳能驱动振荡器用于可持续自主软体机器人

软体机器人以其固有的机械柔顺性和广泛的软性材料选择推动着传统机器人的发展。随着软体机器人的快速发展，全自主运动成为高度追求的目标，尤其是它们的运动可以通过环境能量和自我调节来驱动。

刺激-响应聚合物为自主运动提供了机会，甚至使其具有与生命类似的智能，以与环境互动和自适应，环境刺激可能能够作为燃料和信号来驱动和调节软体机器人。然而，传统刺激-响应材料难以实现在无控制情况下的自我维持的往复运动。目前，刺激-响应聚合物的光致自激振荡行为可以通恒定光源实现自主运动，这将呈现出一种在能源供应和运动控制方面的自我维持的模式。这些光致机械振荡大多依靠于自调节负反馈环路引起自身遮挡效应。然而，在现有环境光源的有限功率密度下，产生振荡变得具有挑战性。

有鉴于此，近日，加州大学洛杉矶分校的贺曦敏教授课题组基于液晶弹性体（LCE）制备了一种LCE/PDMS双层悬臂梁结构，该结构用于以光致自激振荡为机理的全自主软体机器人。通过多物理建模指导，研究者成功地改善双层结构的光机械能转化，并将所需输入光强降低到约一个太阳水平。低光强入射LCE/PDMS双层结构振荡器“LiLBot”在低能量供应下实现了自主运动，得益于特别设计的高光热转换效率、低模量和高材料响应性。LiLBot可以在4度至72度的振幅（2A）和0.3赫兹至11赫兹的频率下进行调制。该振荡材料为设计自主、远程和可持续的小型软体机器人提供了策略，例如帆船和行走机器人。

值得一提的是研究者最后模仿蝴蝶翅膀运动，实现了光驱动的微型双翅协同振动。研究者采用了独特的几何形状和机械特性来解决翅膀振动方向与光照方向不对齐，振动相位不同，和频率不协同的问题，并成功实现了对翅膀进行协同振动。通过实验和模拟，研究人员证明了翅膀的对称性和材料阻尼性质是实现协同振动的关键因素。此外，作者还讨论了翅膀的几何形状和光强度对协同振动的影响，并提出了未来改进的方向。

该研究以题为“Sunlight-powered self-excited oscillators for sustainable autonomous soft robotics”的论文发表在《Science Robotics》上。

图1. LiLBot的设计。（A）LiLBot光致振荡示意图。（B）当触发开始振荡时，光热机械系统的温度-角度曲线。深蓝色曲线是由模拟产生的从扰动到稳定振荡的时间分辨图。红色曲线显示LiLBot的热机械弯曲（角度θ）随着温度（T）的升高，蓝色曲线显示光热自遮蔽效应，在更高的弯曲角度下导致温度下降。该振荡依靠于对材料的设计，包括高光热转化（C），低储存模量和损耗模量（D），调节PDMS厚度提高LiLBot的响应性（E）。

图2. LiLBot的振荡表征。(A) 实际振荡照片。(B)不同PDMS厚度振荡工作窗口。(C) 模拟和实验结果的比较。(D至F) 在水平光入射条件下，不同光强的振荡频率、振幅和产生能量密度的变化。(G至I) 在垂直入射条件下，由太阳模拟器提供动力的振荡的序列快照，角度变化和频率。(H)频率的傅立叶变换。(J和K) 由自然阳光提供动力的振荡的序列快照和角度变化。

图3. 振荡器在软体机器人中的应用。(A)帆船、步行器和滚筒的示意图。(B) 在水平光下帆船的连续快照。(C) 帆船的移动距离随时间的变化。(D) 行波式步行器在一个周期内的连续快照。(E) 步行机器人连续快照。(F) 滚筒形式的机器人在60秒内的连续快照。(G) 行波式步行器和滚筒的移动距离随时间的比较。

图4. 协同振荡形式的仿蝴蝶翅膀扇动。（A）基于LiLBot的仿生蝴蝶照片。（B,C）协同振荡的前视图。（D）蝴蝶翅膀系统的模态空间。（E）单翅振荡表征。（F）频率，（G）在XY平面内的顶端轨迹，（H）两个翅膀在同步状态下的归一化振幅和相位。

总结：该研究报道了一种以恒定，低光强为能源驱动的液晶弹性体(LCE)双层振荡器。其能量输入约比现有液晶弹性体或者液晶网络材料低75%。这种温和的工作窗口受益于LCE低转变温度，高光热效率、高响应性和低模量。利用这种设计的液晶弹性体材料可以为自持续陆地、水面及今后空中机器人提供思路。

该工作是团队近期关于光致刺激响应材料的进展之一。在过去几年中，团队进行了其他相关研究，包括仿生向光性驱动(Nature Nanotechnology, 2019, 14(11), )，自传感驱动(Science Robotics, 2021, 6(53).)，水凝胶光致振荡机器人(. Science Robotics, 2019, 4(33).)，及液晶弹性体光致振荡(Journal of Composite Materials, 2023, 57(4), 633-644.)等。

通讯作者简介：

贺曦敏是加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系教授和加州纳米体系研究所（CNSI）的成员。她在剑桥大学获得博士学位并在哈佛大学进行博士后研究。她的主要研究方向包括刺激响应性材料、仿生功能材料、化学和生物传感器、驱动器等，并将其应用于生物医药、环境、机器人和能源领域。她已经在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology, Science Advances等杂志发表了60余篇高水平论文、书籍和专利。她获得的荣誉包括Young Investigator Medal of the Society of Engineering Science (SES), 3M Non-tenured Faculty Award, CIFAR Azrieli Global Scholar, International Society of Bionic Engineering (ISBE) Outstanding Youth Award, National Science Foundation CAREER Award, Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program (AFOSR YIP) Award, Hellman Fellows Award, 以及UCLA Faculty Career Development Award。她的关于自调制材料，人工向光材料，及柔性机器人等研究获得了一系列地区和国际的奖励，并且受到了百余家新闻媒体报道。

封面来源于图虫创意