偏振光驱动的多向可控软体机器人

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

光驱动机器人依靠吸光材料的光热效果将光能转变为机械变形和运动。与其他驱动方式相比，光作为清洁安全的能源具有精确，远程和快速等优点。近日，加州大学河滨分校的殷亚东教授（点击查看介绍）团队利用Fe₃O₄/Ag复合纳米棒，制备了一种偏振光驱动的多向可控软体机器人。

典型的光热驱动器包括三个部分：用于光热转换的吸光材料、响应层以及被动层。这种简单的材料设计可以实现基本的光致机械变形，包括弯曲、扭曲和旋转。更重要挑战是将这些机械形变转化为受控的多模式运动以实现特定的功能。双层光驱动致动器可以在锯齿状表面上向某一个方向上爬行，这种策略是一种有效实现定向运动的方法。生物启发的软体机器人通常具有不对称的形状以模仿特定自然生物的运动。这些策略具有易于制造、操作简单且光源要求低等优势。但它们只能单向运动，这也限制了他们的进一步发展。扩展运动自由度可以通过精确控制照射位置或光的扫描方向来实现。一些更先进的设计使用波长依赖的光热转换和选择性地驱动特定的结构以便进行可逆的多向移动。例如，含有不同吸光染料的驱动器可以在不同波长下工作以实现前进、后退和转向。这些方法需要复杂的调制机制来引起不对称形状变形和光源的定向移动来实现转向。然而，复杂制造工艺、严苛的驱动方式、有限的材料选择限制了它们的实际应用。

最近，该团队报告一种单光源驱动的多方向软体机器人。这种软体机器人可以简单地通过控制单个激光束的偏振方向来行走和转向。为了实现这个目标，该团队开发了一种非常规的模板法用于直接合成复合Fe₃O₄/Ag纳米棒（Nat. Commun., 2020, 11, 2883）。该方法制备的复合纳米棒是由并行排列的Fe₃O₄磁性纳米棒和Ag纳米棒组成。这种独特的结构赋予纳米棒耦合的磁-等离激元各向异性。通过简单的外加磁场，该团队实现了纳米棒物理性能的精确可逆调控，包括等离激元和光热转换。为了制备光驱动软体机器人，该团队将复合纳米棒固定到水凝胶里面。在聚合的同时，外加磁场可以精确控制纳米棒在机器人不同区域里的取向。所以，通过改变光源的偏振方向，该团队实现了对机器人特定区域的选择性驱动。为了进一步验证该设计的可行性，Fe₃O₄/Ag复合纳米棒以垂直和水平取向被固定到了双足机器人的两条腿中。改变驱动激光的偏振方向可以有选择地激活两条腿的弯曲和机器人的直立行走。比如，交变的偏振光可以交替的驱动两条腿从而实现机器人平稳的行走。如果使用单一偏振的光源，可以实现单条腿的持续驱动和机器人的连续转向。通过组合激发光源的偏振方向，机器人可以沿着任何预先设计的路径行走。

图1. Fe₃O₄/Ag复合纳米棒用于制备偏振光驱动的多向可控软体机器人。图片来源：Adv. Mater.

磁性/等离激元复合纳米棒独特的性能使得设计双足机器人成为可能。这种材料设计有望克服现有光驱动器的限制，例如复杂的制作和驱动工艺、苛刻的光源要求和有限的驱动模式。因此，这种机器人有望在物体运输、环境污染处理、能量收集等领域有广泛的用途。磁性调控等离激元的选择性激发还可用于创建更多的功能材料和先进设备。它们不仅在下一代自持式执行器和不受束缚的机器人有无限的可能，还可以用于制造高性能的比色传感器、智能生物成像的造影剂、多色显示器等。

图2. 软体机器人的直立行走和转向：（a）软体机器人行走原理图。（b）机器人在交变偏振光驱动下的直立行走。（c）机器人在某种特定偏振光驱动下的转向。图片来源：Adv. Mater.

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是加州大学河滨分校李志伟博士 (‪Zhiwei Li‬ ‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬)。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Polarization‐Modulated Multidirectional Photothermal Actuators

Zhiwei Li, Zuyang Ye, Lili Han, Qingsong Fan, Chaolumen Wu, Deng Ding, Huolin L. Xin, Nosang Vincent Myung, Yadong Yin

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202006367

殷亚东教授简介

殷亚东，加州大学河滨分校教授。1996年及1998年于中国科学技术大学获得学士及硕士学位，2002年于美国华盛顿大学获博士学位，师从夏幼南教授，之后在美国加州大学伯克利分校与劳伦兹伯克利国家实验室工作，导师为A. Paul Alivisatos教授。2006年起就职于加州大学河滨分校，其研究领域包括纳米材料的合成，表征与应用；光子晶体的组装和应用；胶体和界面化学；及智能材料。

https://www.x-mol.com/university/faculty/3117

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：该研究的目的是利用复合纳米棒的特殊性能来设计简单方便的新型光致驱动器。金属纳米棒的等离激元的激发是由其取向决定的。这就为调控纳米棒的物理性质提供了理论依据。但是，在实验中，怎么简单可逆地控制纳米棒的取向是一个难题。基于此我们组开发了一种非常规模板法，可以用于直接制备磁-等离激元复合的纳米棒。这就为该工作奠定了技术基础。我们首先想到怎么使用纳米棒的可控取向来实现机器人的选择性驱动。在团队的默契合作下，我们设计了这种可以自由站立的双足机器人。为了进一步控制机器人的行走和转向，我们想到将纳米棒在机器人两条腿中的取向分别设计为水平和垂直。这样，改变激光的偏振方向就可以实现机器人的行走和转向。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何控制复合纳米棒在机器人中的取向。由于驱动器初始的双层结构都是疏水的材料。亲水的纳米棒很容易团聚。这种结构无法获得纳米棒的可控排列。为了解决这个挑战，我们设计了三层架构的驱动器。在原有结构的基础上，加上一层水凝胶层。放置在中间的水凝胶是亲水的。这就很好的解决了纳米棒在驱动器中的分散性问题。而且，中间的水凝胶也不会影响驱动器在光照下的形变。于是，我们在水凝胶聚合的时候，施加一个均匀磁场来控制复合纳米棒在机器人特定区域里面的可控取向。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：这种激光驱动的多向驱动器或者机器人可以将光能转化为机械形变或者可控的运动。可以用于刺激响应性系统的开发，微型机器人的智能化，能量的收集和转化，环境污染的处理和控制等领域。相比之前的光致驱动器或者机器人，该双足机器人驱动方法简单，使用单一的激光光源就可以实现直立行走和转向。因此，它为设计新型，智能，便捷的机器人提出了一种bottom-up的途径：控制内置纳米结构的性能来设计智能机器人。