近日，武漢光電國家研究中心熊偉教授團(tuán)隊提出了一種新型光驅(qū)動晶格軟體微型機器人。研究團(tuán)隊受自然界微生物多樣運動方式的啟發(fā)，結(jié)合激光微納制造與水凝膠材料特性，設(shè)計出具備晶格結(jié)構(gòu)的軟體微型機器人，能夠在光場調(diào)控下實現(xiàn)蠕動、旋轉(zhuǎn)和跳躍等多模態(tài)仿生運動。與傳統(tǒng)實心結(jié)構(gòu)相比，該機器人不僅能量利用效率顯著提升，而且運動速度大幅增加，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。

軟體微機器人因其小尺寸和柔性驅(qū)動特性，在生物醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)和精密微機械等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有微型機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，運動模式多為預(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器人的發(fā)展。

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圖1.晶格軟體微型機器人設(shè)計與制備流程

針對上述難題，熊偉教授團(tuán)隊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)計出一種截角八面體晶格結(jié)構(gòu)的微型機器人。該設(shè)計顯著降低了材料密度，增大了比表面積，使機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)使機器人在相同條件下僅需實心結(jié)構(gòu)六分之一的能量，即可達(dá)到三倍的運動速度，其旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)每秒29.38度，比已有報道提升近30倍；在蠕動模式下，速度可達(dá)15.15μm/s。

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圖2.晶格微型機器人在蠕動模式下的運動表現(xiàn)

得益于晶格結(jié)構(gòu)與光場調(diào)控的結(jié)合，機器人能夠?qū)崿F(xiàn)多模態(tài)運動：在激光掃描驅(qū)動下產(chǎn)生蠕動前進(jìn)；通過環(huán)形光軌實現(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)隊引入基于計算機視覺的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使機器人能夠?qū)崟r修正姿態(tài)偏差并沿設(shè)定路徑自主導(dǎo)航。在實驗中，研究人員成功演示了機器人在“星形”和“迷宮”軌跡上的自主運動，顯示出精確的可編程控制潛力。

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圖3. 晶格微型機器人的手動控制運動與閉環(huán)反饋控制運動

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研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本業(yè)務(wù)費以及光谷實驗室創(chuàng)新研究項目的資助。

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