研究背景

仿生學(xué)的進(jìn)步極大地推動(dòng)了先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的興起與發(fā)展，同時(shí)也為諸多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域帶來了新的活力。自然界中的可編程、自驅(qū)動(dòng)、自維持的驅(qū)動(dòng)形式，例如人類心臟的跳動(dòng)、鳥兒翅膀的煽動(dòng)以及企鵝蹣跚的步態(tài)等，在生命體中發(fā)揮著極其重要的作用，令科學(xué)家們著迷（其中自驅(qū)動(dòng)/自維持是指物體在恒定的外部刺激下進(jìn)行持續(xù)不斷的特定規(guī)律性執(zhí)行功能，該過程無需人為開/關(guān)或特意設(shè)置改變外場(chǎng)條件）。然而，要想把這類復(fù)雜的自反饋現(xiàn)象借鑒到智能化功能器件的開發(fā)中仍然十分困難，尤其在發(fā)展自主智能光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

圖1 基于智能仿生自驅(qū)動(dòng)液晶執(zhí)行器的主動(dòng)光子學(xué)應(yīng)用

研究亮點(diǎn)

近日，受大自然啟發(fā)，南京大學(xué)陸延青教授/馬玲玲副研究員團(tuán)隊(duì)與南京郵電大學(xué)李炳祥教授、東南大學(xué)李全院士團(tuán)隊(duì)合作，基于液晶聚合物設(shè)計(jì)開發(fā)具有自驅(qū)動(dòng)、自反饋、自維持振蕩功能的可編程智能仿生液晶軟執(zhí)行器，并實(shí)現(xiàn)了新穎的自主智能光學(xué)與光子學(xué)應(yīng)用（圖1）。作為光電子/光子器件應(yīng)用的明星材料，液晶（Liquid Crystal，LC）聚合物體系因其優(yōu)異的光學(xué)各向異性、彈性變形、圖案化操控、多刺激響應(yīng)以及大幅度調(diào)制、小型化集成等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于開發(fā)各種可執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器，尤其是具有特定光學(xué)功能的智能執(zhí)行器。

然而，由于液晶微結(jié)構(gòu)的光學(xué)效應(yīng)和宏觀的力學(xué)機(jī)械行為是跨尺度的（分別為微觀和宏觀），以往的研究常常把兩者割裂，極大限制了液晶聚合物在自主智能光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。在該工作中，科學(xué)家們將微觀結(jié)構(gòu)的可編程設(shè)計(jì)和宏觀形變的工程化控制有機(jī)結(jié)合，不僅成功演示了液晶執(zhí)行器的受控彎曲形變以及仿生企鵝蹣跚步態(tài)的自振蕩運(yùn)動(dòng)，還基于上述智能執(zhí)行功能實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)二維光束偏轉(zhuǎn)和自主自持續(xù)的智能光場(chǎng)調(diào)控功能。該工作提出的智能自驅(qū)動(dòng)、自反饋、自維持液晶執(zhí)行器有望在未來主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)、智能光子學(xué)應(yīng)用以及具有熱-機(jī)械-光執(zhí)行轉(zhuǎn)換功能的自主機(jī)器人等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖2 智能仿生液晶執(zhí)行器的自驅(qū)動(dòng)、自反饋、自維持振蕩行為研究

新型仿生智能軟體液晶執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)自主自驅(qū)動(dòng)功能，開創(chuàng)主動(dòng)液晶光子學(xué)應(yīng)用新領(lǐng)域。該工作中，研究人員將液晶執(zhí)行器設(shè)計(jì)成絲帶狀薄膜，具有扭曲向列相液晶手性螺旋結(jié)構(gòu)，其上下表面非對(duì)稱的液晶指向矢分布使得液晶執(zhí)行器可以方便地發(fā)生熱機(jī)械響應(yīng)而發(fā)生可編程彎曲形變。通過設(shè)置適合適的熱場(chǎng)，研究了其獨(dú)特的仿生自驅(qū)動(dòng)振蕩規(guī)律及內(nèi)在機(jī)制（圖2），進(jìn)而展示了液晶軟執(zhí)行器在恒定溫控下對(duì)光的自主操縱功能：動(dòng)態(tài)光束偏折控制（圖3）和智能自驅(qū)動(dòng)光場(chǎng)調(diào)控（圖4）。

該工作結(jié)合了液晶執(zhí)行器彈性各向異性的宏觀設(shè)計(jì)和液晶微結(jié)構(gòu)光學(xué)各向異性的光物理過程，實(shí)現(xiàn)了自主自驅(qū)動(dòng)智能特性與光子學(xué)功能的無縫銜接。該類液晶執(zhí)行器具有自維持驅(qū)動(dòng)特性，無需開/關(guān)激勵(lì)或外場(chǎng)調(diào)諧，不僅擴(kuò)展了以往只關(guān)注液晶聚合物薄膜機(jī)械響應(yīng)的報(bào)道，而且為具有熱-機(jī)械-光轉(zhuǎn)化功能鮮明的智能驅(qū)動(dòng)器提供了新的視角。

圖3 基于智能仿生自驅(qū)動(dòng)液晶執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)光束控制

圖4 基于智能仿生自驅(qū)動(dòng)液晶執(zhí)行器的主動(dòng)光子學(xué)應(yīng)用

該研究成果以“Autonomous Self-Sustained Liquid Crystal Actuators Enabling Active Photonic Applications”為題發(fā)表于國際一流期刊《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater.2023, 2301142）。南京大學(xué)陸延青教授、馬玲玲副研、南京郵電大學(xué)李炳祥教授和東南大學(xué)李全院士為該論文的共同通訊作者。南京大學(xué)碩士研究生鄭仁和馬玲玲副研為該論文的共同第一作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委等支持。

該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于液晶智能自驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。此外，團(tuán)隊(duì)還通過巧妙引入光響應(yīng)手性分子開關(guān)，誘導(dǎo)構(gòu)筑精密螺旋拓?fù)涑Y(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種模擬細(xì)菌鞭毛運(yùn)動(dòng)的智能自驅(qū)動(dòng)、可編程光控液晶執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)了基于光驅(qū)動(dòng)自組裝微結(jié)構(gòu)嚙合原理的高效、并行、智能粒子操縱系統(tǒng)。

審核編輯：劉清