中國科大實現(xiàn)水下仿生多模態(tài)拓撲液晶凝膠剪紙
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)馮帆教授團隊合作，針對軟體機器人在水下如何高效、無纜、可編程地運動這一交叉領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)，提出并實現(xiàn)了一種單片式、光響應(yīng)的水下拓撲液晶凝膠剪紙的創(chuàng)新設(shè)計策略。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、行走、攀爬、搬運與踢球等多種復(fù)雜運動能力的智能軟體機器人系統(tǒng)。這項工作為未來水下機器人、智能驅(qū)動材料與自主執(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。 z^KBV ^n
合作團隊以液晶凝膠（LCG）為基底，充分發(fā)揮其水下光響應(yīng)可編程形變優(yōu)勢：先在微觀層面“寫入”輻射狀拓撲缺陷，精準錨定分子取向；再將之與二維剪紙幾何結(jié)構(gòu)編碼耦合，實現(xiàn)了從納米級分子排列到厘米級宏觀運動的跨尺度協(xié)同調(diào)控。將輻射狀的拓撲缺陷圖案“編碼”進水母形狀的剪紙結(jié)構(gòu)，團隊成功制作出具有仿生形態(tài)的液晶凝膠水母。借助微粒示蹤測速方法，團隊分析其“阻力推進”機制。在連續(xù)的光照刺激下，液晶凝膠水母可以在水環(huán)境中實現(xiàn)全空間自由游動與定向跳躍運動，如圖1所示。而后，團隊在保持液晶凝膠內(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“前后水流對稱破缺”機制，打造出仿生液晶凝膠鰩魚；依托三維操控平臺的光場調(diào)控，它可沿預(yù)設(shè)復(fù)雜軌跡精準巡航。 0eA |Uq~
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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”游動軌跡。 ,k:>Z&:
在相同形狀的剪紙結(jié)構(gòu)中引入不同的拓撲分子排列也會導(dǎo)致液晶凝膠剪紙不同的宏觀形變和水下運動行為。合作團隊將液晶凝膠水母中的輻射狀拓撲缺陷圖案改寫成螺旋拓撲圖案，實現(xiàn)了由螺旋拓撲缺陷手性控制的定向旋轉(zhuǎn)的液晶凝膠轉(zhuǎn)子。進一步將單缺陷擴充為缺陷陣列，通過對微觀分子排列和宏觀剪紙結(jié)構(gòu)相互作用的調(diào)控，合作團隊實現(xiàn)了液晶凝膠剪紙更豐富的多功能水下運動——固定光照下自主雙向滾動的液晶凝膠圓環(huán)、兼具前進和旋轉(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器人。 j->5%y
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圖2 在水環(huán)境中具有前進和旋轉(zhuǎn)功能的液晶凝膠“中國結(jié)” nob}}w] ~C
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)獨特運動的軟材料，實現(xiàn)了拓撲缺陷與液晶凝膠軟物質(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。這些進展在包括生物醫(yī)學(xué)工程、機器人技術(shù)和材料科學(xué)在內(nèi)的多個領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力，為水下微型機器人、血管介入器械、智能傳感貼片等應(yīng)用場景打開通道。 ?|hY tV
此項研究結(jié)合了軟物質(zhì)物理、材料化學(xué)和工程力學(xué)技術(shù)。合作團隊自主研發(fā)了基于投影顯示的無掩模光刻系統(tǒng)，實現(xiàn)了液晶取向場的精準圖案化。通過調(diào)控微觀液晶分子的拓撲排列和宏觀剪紙幾何結(jié)構(gòu)的相互作用，實現(xiàn)了液晶凝膠剪紙的復(fù)雜形變和豐富的水下運動行為。 6SAYe%e
此工作實驗部分由中國科大彭晨暉教授、蔣景華研究員團隊完成，理論模擬部分由北京大學(xué)馮帆教授團隊完成。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”平臺建設(shè)經(jīng)費的資助。 i|!R*"
相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202512059
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