前沿进展 | 光控自动循环运动新系统

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1 导读

西湖大学工学院智能高分子材料研究团队开发出光控可调的自动循环运动新系统，攻克了系统运动模式单一、无法对外做功、可靠性低等严重阻碍自动循环运动系统应用的关键问题。新系统不仅具备三种基础运动模式，还有具备多种可控的复合运动模式；可以负载重物对外做功；具备上百万次循环运动无明显疲劳的独特优良性能。这项新技术可为先进自动化设备、太阳能自动收集和转换器件、自驱动的无线传感器等高精尖功能设备的开发提供自动化运动解决方案。研究成果以“Phototunable Self-Oscillating System Driven by A Self-Winding Fiber Actuator”为题，于2021年5月28日发表在Nature Communications上。
2021 | 前沿进展

2 研究背景

自然界中的生物智能系统为设计和开发先进的智能材料和器件提供了灵感源泉。自动循环运动行为普遍存在于生物的重要生命活动中，例如鸟类飞行时周期持续地煽动翅膀、金枪鱼游动时高速循环摆动尾部、动物心脏的周期性节律跳动等。这些自动循环的生命活动都是基于非平衡系统，能够通过恒定的化学能量的输入来产生和维续自动的循环运动。然而，人造的智能材料系统（即刺激响应材料系统）以平衡系统为主，通常系统具备两个或多个平衡态或亚稳态的结构/状态，切换结构/状态依靠开关外部刺激源。在恒定的外部刺激下，这些刺激响应材料系统只能产生一次性的机械运动行为，严重缺乏自动运动特性。近二十年里，科学家和工程师不断努力尝试在合成材料系统中实现自动循环运动行为，主要使用过两种响应性材料，一种是Belousov-zhabotinsky反应驱动的凝胶材料，另一种是光致形变的液晶高分子材料。凝胶材料必须在液体环境中才能响应形变，因为它们的驱动力来自于凝胶的溶胀和去溶胀作用，然而大多数实际应用要求在干燥无液体的环境中进行。对于光致形变的液晶高分子材料，通常被加工成薄膜状执行器，其自动循环运动行为的表现形式为光致可逆弯曲，自由度较低。另外，在同一个液晶高分子执行器中实现多种模式的自动循环运动行为具有非常大的难度，以前的自动循环运动系统都无法实现，因为这需要系统具备多自由度运动特性，如果还需要系统可控地实现各种模式的自由切换则难度更高。绝大多数报道的光控自动循环运动系统无法负载工作，而实际的工程应用需要系统在有外部载荷的情况下依然能正常工作。因此，开发具有高自由度和负载能力的智能刺激响应材料对发展运动模式可控和对外可做功的自动循环运动系统至关重要。

3 研究创新点1利用蔓藤多自由度运动机理，提高了系统的形变自由度，开发出多模式自发循环运动新系统

图1. 蔓藤植物高自由度的形变行为。（a，b）蔓藤由一维线性结构转变为螺旋形的三维结构过程；（c，d）简化的双层薄膜模型解释蔓藤螺旋结构产生机制。

高自由度形变的生物材料在自然界中普遍存在。蔓藤植物在一维线性结构转变为螺旋形的三维结构的过程中（图1），表现出多种高自由度的形变行为，例如弯曲、扭曲、卷曲和缠绕。蔓藤的变形机制可以通过一个简单的双层薄膜物理模型来解释。双层薄膜的上下两层具有不同的生长速率：上层生长速率快，而下层生长速率慢。上下两层生长速率的差异会诱导薄膜的横街面上产生应力/应变梯度导致薄膜弯曲。当薄膜的长度大于2πR时（R为弯曲薄膜的曲率半径），为了降低空间位阻，弯曲的薄膜就会产生螺旋结构。螺旋结构的产生源自于双层薄膜横截面上的不对称的应力/应变分布。

受此启发，西湖大学智能高分子团队设计了高自由度形变的自缠绕纤维执行器用于开发高性能的光控自动循环运动系统。系统设计基于以下三个标准：1. 纤维执行器必须可逆的完成从线性结构到螺旋结构的转变，以提供高自由度的形变；2. 纤维执行器可以通过变形快速地耗散掉吸收光热产生的热量，这有助于产生非平衡系统；3. 纤维执行器必须能够负载工作。第一个标准通过仿生构建横截面上具有不对称应力/应变分布的纤维执行器来实现。为了满足第二个标准，我们设计并使用了一种高效的光致形变液晶弹性体材料，可以有效产生非平衡动力。为满足第三个标准，我们把外部的负载集成在自动循环运动系统中，就如同经典的基于弹簧的机械自动循环运动系统，我们将负载与光响应的柔性弹簧集成组装形成自动循环运动系统。

图2  三种基本光控自动循环运动模式。(A) 倾斜循环运动；(B) 旋转循环运动；(C)上下循环运动

基于以上设计思路，我们开发了一种光控自动循环运动新系统，该系统由三个基本单元组成：自缠绕纤维执行器作为光控“柔性弹簧”、悬吊的物体作为负载、近红外光源为系统提供驱动能量和控制。该系统利用简洁的结构实现可控的多模式自动循环机械运动，不仅产生了三种基础的运动模式：倾斜循环运动，旋转循环运动和上下循环运动（图2，视频1），而且还可以原位实现光控三种模式之间的自由切换（图3）。 

图3  原位可逆切换运动模式

视频1 三种基本模式

3 研究创新点2

实现将单一恒定的能量输入转换为多模式复合并协同的复杂运动

在自然界中，动植物不仅可以产生多种模式的自动循环运动，还可以同时产生两种及以上模式的复合运动，并可实现多模式运动的协同。而想在人造自动循环运动系统中实现将单一恒定的能量输入转换为多模式复合并协同的复杂运动是一项巨大的挑战。如图4所示，我们的系统能够实现在单个恒定光束的驱动下产生多种模式复合并协同的自发运动行为，多模式复合协同地能力可以大幅度减少系统的控制要素数量从而实现高效的自动化操作。

图4  多种模式复合并协同的光控自发运动行为. （A）倾斜模式与转动模式复合并同步（视频2）；（B）旋转模式与上下运动模式复合并同步。

视频2 协同运动

3 研究创新点3循环运动性能循环运动性能对于机械运动系统至关重要，决定了系统的实际应用的可靠性和使用寿命。光控自动循环运动新系统能够在工作上百万个机械循环运动后无明显的机械疲劳，显示出超高的可靠性和稳定性（图5），展示出巨大的实际应用潜力。图5 上百万次倾斜循环运动3 研究创新点4基于自动循环运动新系统的应用演示太阳能的利用与转换对现代工业和技术应用意义重大。因为太阳能是一种低成本、用之不竭的绿色能源。新系统可以在无需人为干预的情况下自动地捕获太阳能，并把太阳能转换为机械能产生持续的循环机械运动（图6A）。我们的系统还可以利用法拉第电磁转换原理，将光信号自动持续的转化为电信号 (图6B)。这些应用展示将极大的启发科学家和工程师去开发先进的太阳能收集和转换装置、自驱动的无线传感器等高精尖功能设备。图6 太阳能的捕获与转换（A）日常太阳光辐射下，系统自动捕获太阳能，并产生持续的循环机械运动（视频3）；（B）基于法拉第电磁转换原理的光电转化示意图。视频3  太阳光驱动新系统可以用来构建一个激光引导系统，该系统具有微型，紧凑，轻便和低功耗等特点，可满足光束调制对控制系统的苛刻要求。如图7D-7F所示，该系统不仅可以在水平面上进行360°的一维扫描，还可以在垂直平面进行35°的快速扫描，甚至可以进行高效的二维扫描。然而，对于传统的机械转向激光引导系统，类似的激光束引导需要使用大量的万向节和旋转平台，这会导致系统具有数量众多的机械组件，不仅体积庞大，还会导致驱动操作复杂。我们的激光调制系统具有光学可调性，高效率和宽调谐范围的优势，可以在需要激光束动态控制的应用中使用，例如三维成像、空间分辨光学传感器以及自由空间光通信。图7 利用光控自动循环运动引导激光（视频4）视频4 激光引导4 总结与展望光控自动循环运动新系统具有多种独特优势：可控的多模式循环运动、可负载工作、光机械可靠性高和功能可重构，这是已报道的光控自动循环运动系统所不具备的性能。自缠绕纤维执行器是我们光控自动循环运动系统的关键组件，其制备方法简单且可规模化。新系统的整个制造过程无需使用昂贵的设备，可以在任何材料实验室中进行，通用性和实用性优良。此外，新系统的高可靠性确保了可长期有效发挥功能，这在应用到商业产品中时至关重要。此外，通过更换负载快捷地实现功能重构，用户不仅可以利用新系统实现多种不同的功能，而且可以根据意愿在一个系统中灵活地重新配置功能。这项基于光机械转化的新技术将有力促进高新自动化设备和器件的开发。该工作由西湖大学独立完成，西湖大学2018级博士研究生胡志明为论文第一作者，西湖大学工学院特聘研究员吕久安为通讯作者。该工作得到了西湖大学基金项目、国家自然科学基金项目（51873197）、浙江省151人才工程项目的大力支持。

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