近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系彭晨暉教授、蔣景華研究員和北京大學(xué)馮帆教授團(tuán)隊(duì)合作，針對(duì)軟體機(jī)器人在水下如何高效、無纜、可編程地運(yùn)動(dòng)這一交叉領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種單片式、光響應(yīng)的水下拓?fù)湟壕�凝膠剪紙的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略。通過將微觀分子排列與宏觀幾何結(jié)構(gòu)整合，打造出在水環(huán)境中具備全空間仿生游泳、跳躍、滾動(dòng)、行走、攀爬、搬運(yùn)與踢球等多種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)能力的智能軟體機(jī)器人系統(tǒng)。這項(xiàng)工作為未來水下機(jī)器人、智能驅(qū)動(dòng)材料與自主執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展開辟了全新路徑。此工作于9月8日以“Aquatic topological liquid crystal gel kirigami”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials。

合作團(tuán)隊(duì)以液晶凝膠（LCG）為基底，充分發(fā)揮其水下光響應(yīng)可編程形變優(yōu)勢(shì)：先在微觀層面“寫入”輻射狀拓?fù)淙毕荩�精�?zhǔn)錨定分子取向；再將之與二維剪紙幾何結(jié)構(gòu)編碼耦合，實(shí)現(xiàn)了從納米級(jí)分子排列到厘米級(jí)宏觀運(yùn)動(dòng)的跨尺度協(xié)同調(diào)控。將輻射狀的拓?fù)淙毕輬D案“編碼”進(jìn)水母形狀的剪紙結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)成功制作出具有仿生形態(tài)的液晶凝膠水母。借助微粒示蹤測(cè)速方法，團(tuán)隊(duì)分析其“阻力推進(jìn)”機(jī)制。在連續(xù)的光照刺激下，液晶凝膠水母可以在水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)全空間自由游動(dòng)與定向跳躍運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。而后，團(tuán)隊(duì)在保持液晶凝膠內(nèi)部分子排列不變的情況下，僅將剪紙幾何形狀切換為鰩魚輪廓，便借助“前后水流對(duì)稱破缺”機(jī)制，打造出仿生液晶凝膠鰩魚；依托三維操控平臺(tái)的光場(chǎng)調(diào)控，它可沿預(yù)設(shè)復(fù)雜軌跡精準(zhǔn)巡航。

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圖1.在水環(huán)境中跳躍的液晶凝膠水母寫出“物”字。控制鰩魚 “USTC”游動(dòng)軌跡。

在相同形狀的剪紙結(jié)構(gòu)中引入不同的拓?fù)浞肿优帕幸矔?huì)導(dǎo)致液晶凝膠剪紙不同的宏觀形變和水下運(yùn)動(dòng)行為。合作團(tuán)隊(duì)將液晶凝膠水母中的輻射狀拓?fù)淙毕輬D案改寫成螺旋拓?fù)鋱D案，實(shí)現(xiàn)了由螺旋拓?fù)淙毕菔中钥刂频亩ㄏ蛐�轉(zhuǎn)的液晶凝膠轉(zhuǎn)子。進(jìn)一步將單缺陷擴(kuò)充為缺陷陣列，通過對(duì)微觀分子排列和宏觀剪紙結(jié)構(gòu)相互作用的調(diào)控，合作團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了液晶凝膠剪紙更豐富的多功能水下運(yùn)動(dòng)——固定光照下自主雙向滾動(dòng)的液晶凝膠圓環(huán)、兼具前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)功能的“中國結(jié)”以及集行走、爬坡、載貨、卸貨、踢球于一體的多功能水下機(jī)器人。

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圖2 在水環(huán)境中具有前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)功能的液晶凝膠“中國結(jié)”

該成果制造出能夠在水環(huán)境中完成復(fù)雜形狀轉(zhuǎn)變并展現(xiàn)獨(dú)特運(yùn)動(dòng)的軟材料，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淙毕菖c液晶凝膠軟物質(zhì)之間的成功整合，不僅能夠模擬水生生物的行為，還能催生出超越自然能力的創(chuàng)新游泳模式。這些進(jìn)展在包括生物醫(yī)學(xué)工程、機(jī)器人技術(shù)和材料科學(xué)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力，為水下微型機(jī)器人、血管介入器械、智能傳感貼片等應(yīng)用場(chǎng)景打開通道。

此項(xiàng)研究結(jié)合了軟物質(zhì)物理、材料化學(xué)和工程力學(xué)技術(shù)。合作團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了基于投影顯示的無掩模光刻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了液晶取向場(chǎng)的精準(zhǔn)圖案化。通過調(diào)控微觀液晶分子的拓?fù)渑帕泻秃暧^剪紙幾何結(jié)構(gòu)的相互作用，實(shí)現(xiàn)了液晶凝膠剪紙的復(fù)雜形變和豐富的水下運(yùn)動(dòng)行為。

此工作實(shí)驗(yàn)部分由中國科大彭晨暉教授、蔣景華研究員團(tuán)隊(duì)完成，理論模擬部分由北京大學(xué)馮帆教授團(tuán)隊(duì)完成。彭晨暉教授、蔣景華研究員和馮帆教授為本文共同通訊作者，中國科大博士生類子涵和柴禎熠為本文共同第一作者。中國科大王柳教授、李闖教授、北京大學(xué)研究生萬凱、中國科大博士生張婧、王國棟和本科生李玟欣為共同作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、安徽省自然科學(xué)基金和中國科大“雙一流”平臺(tái)建設(shè)經(jīng)費(fèi)的資助。

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