大自然中，植物的葉子能在風(fēng)中輕盈搖曳卻不會(huì)折斷，這是為什么呢？這要?dú)w功于葉子內(nèi)部的 " 骨架 " ——葉脈。
中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的科學(xué)家們從葉脈中獲得了靈感，研發(fā)出了一種新型的液態(tài)金屬光熱致動(dòng)器，讓機(jī)器人既具有足夠的強(qiáng)度，又能像葉子一樣輕盈！
讓我們一起來(lái)看看這項(xiàng)有趣的發(fā)明吧！
神奇的光熱制動(dòng)器：
用光來(lái)控制物體運(yùn)動(dòng)
光熱致動(dòng)器是一種能將光能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。材料具有熱脹冷縮特性，將熱膨脹系數(shù)不同的兩層或多層薄膜復(fù)合，溫度升高后不對(duì)稱膨脹導(dǎo)致復(fù)合薄膜彎曲。在復(fù)合薄膜中引入可將光能轉(zhuǎn)化為熱能的光熱材料，就可以利用光來(lái)控制薄膜的變形。以這種光驅(qū)動(dòng)薄膜作為 " 發(fā)動(dòng)機(jī) " 即可設(shè)計(jì)出形形色色的機(jī)器人或仿生系統(tǒng)。當(dāng)用光照射它，它就能根據(jù)預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)彎曲、伸縮甚至跳躍。
這種技術(shù)在軟體機(jī)器人、智能傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。比如，作為軟機(jī)器人的身體或者肢體控制軟機(jī)器人的動(dòng)作，作為智能傳感器的光響應(yīng)基體等等。因此，光熱致動(dòng)器需要具有一定的強(qiáng)度才能再負(fù)載傳感器等部件，同時(shí)還要保證在光刺激下及時(shí)響應(yīng)。
但這些需求卻是天然 " 矛盾 " 的——如果想要它反應(yīng)快、變形大，就得做得輕薄；但如果想要它承重能力強(qiáng)，就得做得厚重。這就好比魚和熊掌不可兼得，科學(xué)家們一直在尋找一種既能快速響應(yīng)又能承重的材料。
來(lái)自科幻的靈感：液態(tài)金屬
科幻電影《終結(jié)者》中，有液態(tài)金屬機(jī)器人。現(xiàn)實(shí)中，液態(tài)金屬是一種在室溫下呈液態(tài)的金屬，比如鎵基合金。它既柔軟又導(dǎo)電，還能吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為熱能。
中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所的田興友研究員和張獻(xiàn)研究員團(tuán)隊(duì)將液態(tài)金屬微球加入到聚合物材料中，發(fā)現(xiàn)它不僅能賦予材料光熱特性，還不會(huì)讓材料變硬。這樣一來(lái)，材料既保持了柔軟性，又能快速響應(yīng)光的照射。
不過(guò)，僅僅加入液態(tài)金屬還不夠，科學(xué)家們還需要一種更巧妙的設(shè)計(jì)來(lái)提升它的性能。
向大自然學(xué)習(xí)：
葉脈與葉肉的完美搭配
植物的葉子之所以能輕盈又堅(jiān)韌，是因?yàn)樗膬?nèi)部結(jié)構(gòu)非常精巧：硬質(zhì)的葉脈像骨架一樣支撐葉片，而柔軟的葉肉則降低葉片彎曲阻力。科學(xué)家們從中得到啟發(fā)，決定模仿葉脈的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)光熱致動(dòng)器。
他們用激光在液態(tài)金屬 / 聚酰亞胺薄膜上刻蝕出溝槽，減薄薄膜以降低變形阻力；溝槽之間未刻蝕的薄膜較厚，類似葉脈。然后用一種柔軟的材料（PDMS）進(jìn)行封裝。這種設(shè)計(jì)就像給致動(dòng)器裝上了 " 骨架 "，既提高了其承載能力到自身重量的 190 倍，相當(dāng)于一張 A4 紙可以承載兩瓶水，又保持了快速響應(yīng)的特性（60.96 ± 3.08 ° /s）。
會(huì)爬、會(huì)跳、會(huì)游泳的 " 光驅(qū)機(jī)器狗 "
基于這種仿生設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)成功制造出了一種新型光熱致動(dòng)器。它不僅反應(yīng)速度快，還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變形。利用這種技術(shù)，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出了一只 " 光驅(qū)機(jī)器狗 "，它可以在光的控制下完成爬行、跳躍、游泳甚至站立等動(dòng)作！
此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種高速振蕩器，這種設(shè)備可以快速振動(dòng)，未來(lái)可能將可用于微型機(jī)器人或精密儀器中。這些有趣的發(fā)明展示了液態(tài)金屬光熱致動(dòng)器的巨大潛力。
這項(xiàng)研究的突破在于，它首次將仿生超結(jié)構(gòu)引入液態(tài)金屬光熱致動(dòng)器中，為未來(lái)的設(shè)計(jì)和制造提供了新思路。這些研究成果均已發(fā)表在材料學(xué)期刊《Advanced Materials》上。
展望未來(lái)，它還有更多應(yīng)用
未來(lái)，這種技術(shù)可能會(huì)應(yīng)用于更多領(lǐng)域，比如：軟體機(jī)器人制造出更靈活、更智能的機(jī)器人，用于救援、醫(yī)療等領(lǐng)域；智能傳感器開發(fā)出能根據(jù)環(huán)境光自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)備；仿生設(shè)備設(shè)計(jì)出像自然界生物一樣運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置等等。
從葉脈到超結(jié)構(gòu)溝槽，從植物到機(jī)器人，這項(xiàng)研究讓我們看到了科技與自然的奇妙結(jié)合。隨著這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)或許我們會(huì)看到更多像葉子一樣輕盈、像動(dòng)物一樣靈活的機(jī)器人出現(xiàn)在我們的生活中。
參考文獻(xiàn)
[ 1 ] Li X, Du Y, Xiao C, et al. Tendril ‐ Inspired Programmable Liquid Metal Photothermal Actuators for Soft Robots [ J ] . Advanced Functional Materials, 2023, 34 ( 4 ) : 2310380.
[ 2 ] Li X, Du Y, Pan X, et al. Leaf Vein ‐ Inspired Programmable Superstructure Liquid Metal Photothermal Actuator for Soft Robots [ J ] . Advanced Materials, 2025: 2416991.
策劃制作
出品丨科普中國(guó)
作者丨李宵飛 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所
監(jiān)制丨中國(guó)科普博覽
責(zé)編丨董娜娜
審校丨徐來(lái) 林林
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