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  隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，軟體驅(qū)動器在陸地、海洋及空中領(lǐng)域的高速運動需求日益增長。尤其是在微型飛行器等場景中，為了克服自重并實現(xiàn)起飛與懸停，驅(qū)動器的輸出功率密度必須超過特定閾值。然而，現(xiàn)有的軟體機器人大多依賴于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，外接或負載電源，實現(xiàn)無線，自主的高功率運動仍面臨挑戰(zhàn)。而通過遠程能量輸入來驅(qū)動的刺激響應(yīng)性聚合物，則為開發(fā)新一代自主調(diào)控機器人提供了新的材料設(shè)計思路。

  生物系統(tǒng)中的心跳、振翅、生物鐘等行為依靠內(nèi)在負反饋機制實現(xiàn)，相類似的，光響應(yīng)聚合物的自激振蕩通過材料和光的動態(tài)反饋，可以實現(xiàn)無線自主的智能驅(qū)動。其創(chuàng)新點是：（1）這種振蕩的周期運動僅需遠程能量輸入，不依賴于負載電池或者額外接入電源；（2）具有自我維持性，無須人工開-關(guān)干涉，并能持續(xù)產(chǎn)生周期性機械輸出。然而，現(xiàn)有的光驅(qū)動振蕩器在輸出功率上遠未達到理想水平，難以與昆蟲飛行肌肉（>29 W/kg），或現(xiàn)有同尺度其他機制的驅(qū)動器（壓電和介電彈性體2-600 W/kg）的性能相媲美。潛在的原因是振蕩的激發(fā)與維持往往需要較低剛度的響應(yīng)性材料，以便更容易實現(xiàn)過度彎曲并產(chǎn)生動態(tài)非平衡運動，但較軟材料僅能激發(fā)較低的頻率，對于產(chǎn)生高輸出功率（需要高頻率與高振幅）來說并不理想。

  為了解決這一挑戰(zhàn)，來自加州大學(xué)洛杉磯分校的賀曦敏教授課題組提出了一種全新的光驅(qū)動振蕩器材料設(shè)計，靈感來源于昆蟲飛行肌肉的兩組對抗性肌肉結(jié)構(gòu)：背縱肌使翅膀向上運動，縱向肌肉使翅膀向下拍打。這兩組肌肉交替收縮，幫助昆蟲快速、高效地振翅飛行。相應(yīng)的，團隊提出了一種由兩層光響應(yīng)液晶彈性體（LCE）與非活性彈性體（PDMS）組成的三明治對抗結(jié)構(gòu)振蕩器設(shè)計方案，稱為FLaPTOR（Flapping LCE-and-PDMS Trilayer Oscillatory Robot）。兩片 LCE 膜在恒定光照下進行對抗性運動，相互交替工作實現(xiàn)驅(qū)動器的周期往復(fù)振蕩。這種自激振蕩結(jié)構(gòu)與單一材料設(shè)計不同，特意引入了一定比例的非活性材料，反常性的顯著提高了輸出功率密度，達到33 W/kg，可與昆蟲飛行肌肉的功率輸出相媲美，相比于同材料的其他結(jié)構(gòu)提升了275倍。本工作通過實驗現(xiàn)象結(jié)合多物理場仿真，對其振蕩的光熱轉(zhuǎn)換，熱致形變場，傳熱，阻尼與幾何參數(shù)多角度分析解釋。此外，該結(jié)構(gòu)對輸出功率的提升可廣泛適用于不同液晶彈性體和非活性彈性體的化學(xué)成分和合成過程。

  FLaPTOR不僅能夠在廣光譜，非偏振光條件下運行，還具備多功能可集成性，包括本體的感知驅(qū)動，與集成于振蕩器中的壓電/熱電納米發(fā)電機。基于該技術(shù)，FLaPTOR能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式的高速機器人運動，如撲翼帆船前行和陸地步行。最后，課題組對FLaPTOR撲翼模式進行了升力測試，其平均升力可達147 μN，其推重比達到了0.32，標(biāo)志著無線自主的可持續(xù)振蕩驅(qū)動器技術(shù)的突破。

圖6. FLaPTOR撲翼振蕩應(yīng)用。(b）帆船運動的時間分辨快照；(c，d）基于 FLaPTOR 撲翼的步行器向前和向后移動的快照；(e）撲翼驅(qū)動器在一個周期內(nèi)的時間分辨快照，包括約束模式和半約束模式。(f）FLaPTOR撲翼驅(qū)動器的角度變化。g）FLaPTOR 撲翼驅(qū)動器產(chǎn)生的瞬時升力。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02035-3

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, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology, Science Advances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。她的關(guān)于高強韌水凝膠，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。