近日，武漢光電國家研究中心熊偉教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型光驅(qū)動(dòng)晶格軟體微型機(jī)器人。研究團(tuán)隊(duì)受自然界微生物多樣運(yùn)動(dòng)方式的啟發(fā)，結(jié)合激光微納制造與水凝膠材料特性，設(shè)計(jì)出具備晶格結(jié)構(gòu)的軟體微型機(jī)器人，能夠在光場(chǎng)調(diào)控下實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和跳躍等多模態(tài)仿生運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)實(shí)心結(jié)構(gòu)相比，該機(jī)器人不僅能量利用效率顯著提升，而且運(yùn)動(dòng)速度大幅增加，在復(fù)雜環(huán)境下展現(xiàn)出良好的柔性和適應(yīng)性。研究成果以“Light-driven lattice soft microrobot with multimodal locomotion”為題發(fā)表在Nature Communications。

軟體微機(jī)器人因其小尺寸和柔性驅(qū)動(dòng)特性，在生物醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)和精密微機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有微型機(jī)器人依賴的水凝膠材料在響應(yīng)速度和變形能力方面存在不足，運(yùn)動(dòng)模式多為預(yù)設(shè)的周期性形變，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。這些問題嚴(yán)重制約了軟體微型機(jī)器人的發(fā)展。

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圖1.晶格軟體微型機(jī)器人設(shè)計(jì)與制備流程

針對(duì)上述難題，熊偉教授團(tuán)隊(duì)利用飛秒激光微納增材制造技術(shù)，在溫度響應(yīng)型聚合物中引入單壁碳納米管，設(shè)計(jì)出一種截角八面體晶格結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人。該設(shè)計(jì)顯著降低了材料密度，增大了比表面積，使機(jī)器人在光照下能快速產(chǎn)生局部形變。研究表明，晶格結(jié)構(gòu)使機(jī)器人在相同條件下僅需實(shí)心結(jié)構(gòu)六分之一的能量，即可達(dá)到三倍的運(yùn)動(dòng)速度，其旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)每秒29.38度，比已有報(bào)道提升近30倍；在蠕動(dòng)模式下，速度可達(dá)15.15μm/s。

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圖2.晶格微型機(jī)器人在蠕動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)

得益于晶格結(jié)構(gòu)與光場(chǎng)調(diào)控的結(jié)合，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)：在激光掃描驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生蠕動(dòng)前進(jìn)；通過環(huán)形光軌實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)；在高功率激光作用下完成連續(xù)跳躍。更進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)引入基于計(jì)算機(jī)視覺的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)修正姿態(tài)偏差并沿設(shè)定路徑自主導(dǎo)航。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員成功演示了機(jī)器人在“星形”和“迷宮”軌跡上的自主運(yùn)動(dòng)，顯示出精確的可編程控制潛力。

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圖3. 晶格微型機(jī)器人的手動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)與閉環(huán)反饋控制運(yùn)動(dòng)

武漢光電國家研究中心博士研究生張銘鐸和博士后劉耘呈為論文共同第一作者，熊偉教授為通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)以及光谷實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新研究項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62676-z