【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學物理系彭晨暉教授、蔣景華研究員和北京大學馮帆教授團隊合作，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域的核心挑戰，提出并實現了一種單片式、光響應的水下拓撲液晶凝膠剪紙的創新設計策略。通過將微觀分子排列與宏觀幾何結構整合，打造出在水環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雜運動能力的智能軟體機器人系統。這項工作為未來水下機器人、智能驅動材料與自主執行系統的發展開辟了全新路徑。此工作于9月8日以“Aquatic topological liquid crystal gel kirigami”為題發表于Advanced Functional Materials。
合作團隊以液晶凝膠(LCG)為基底，充分發揮其水下光響應可編程形變優勢：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構編碼耦合，實現了從納米級分子排列到厘米級宏觀運動的跨尺度協同調控。將輻射狀的拓撲缺陷圖案“編碼”進水母形狀的剪紙結構，團隊成功制作出具有仿生形態的液晶凝膠水母。借助微粒示蹤測速方法，團隊分析其“阻力推進”機制。在連續的光照刺激下，液晶凝膠水母可以在水環境中實現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控，它可沿預設復雜軌跡精準巡航。
圖1 在水環境中跳躍的液晶凝膠水母寫出“物”字。控制鰩魚 “USTC”游動軌跡。
在相同形狀的剪紙結構中引入不同的拓撲分子排列也會導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，實現了由螺旋拓撲缺陷手性控制的定向旋轉的液晶凝膠轉子。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構相互作用的調控，合作團隊實現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、兼具前進和旋轉功能的“中國結”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。
圖2 在水環境中具有前進和旋轉功能的液晶凝膠“中國結”
該成果制造出能夠在水環境中完成復雜形狀轉變并展現獨特運動的軟材料，實現了拓撲缺陷與液晶凝膠軟物質之間的成功整合，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新游泳模式。這些進展在包括生物醫學工程、機器人技術和材料科學在內的多個領域具有重要應用潛力，為水下微型機器人、血管介入器械、智能傳感貼片等應用場景打開通道。
此項研究結合了軟物質物理、材料化學和工程力學技術。合作團隊自主研發了基于投影顯示的無掩模光刻系統，實現了液晶取向場的精準圖案化。通過調控微觀液晶分子的拓撲排列和宏觀剪紙幾何結構的相互作用，實現了液晶凝膠剪紙的復雜形變和豐富的水下運動行為。
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基金、中國科學院、安徽省自然科學基金和中國科大“雙一流”平臺建設經費的資助。
所有評論僅代表網友意見，與本站立場無關。