《PNAS》首次报道基于液晶凝胶的弱光驱动水下软体机器人，爬行、行走、跳跃与游泳无所不能

近日德国马普所智能系统研究院Metin Sitti教授课题组的研究人员受海参等无脊椎动物水下运动模式的启发，利用具有光-热特性的液晶凝胶（LCG）设计了水下软体机器人。

实现了无脊椎动物所共有的多种水下运动模式，例如：爬行，行走，跳跃和游泳。他们的仿真和实验结果为设计和开发水下软体机器人提供了一种新的思路。

图1. “西班牙舞者”是海参的一种，属于海洋软体动物。它在海里面游动的姿势非常美，就像弗拉明戈舞者，它的颜色也很鲜艳像舞者的裙子，虽然好看但有剧毒。

研究背景

因为具有特殊的光学和电磁特性，液晶材料的应用已经从传统显示器领域拓展到了生物医疗、仿生器件等方向。

液晶材料在受到光照之后会产生热并发生形变，人们利用该特性已经成功设计了多种陆栖仿生机器人，并模拟了诸如步行，爬行和跳跃等运动类型。

但是水下机器人的设计和制备依然是个挑战，这主要受限于两个因素：水比空气具有更大的阻力，另外传统液晶材料的相变温度较高。

（1）海参等无脊椎动物是通过躯体与岩石、水等媒介发生相互作用来实现爬行，行走，跳跃和游泳等运动形式。因此，仿生机器人在斩光条件下不仅需要通过反复形变来产生动能，还需要维持较小密度（低于水的密度）以产生足够的浮力。

（2）另外，由于水的传热系数比在空气中高得多，这将导致传统液晶材料在水中的光热转化效率急剧下降，意味着水中产生与空气中相似的温度升高需要更高的能量输入。因此，所选液晶材料需要具有较低的相变温度，从而进一步提升能量转化效率。

图2. 海参运动过程中的形变以及仿生软体机器人的设计思路。

创新思路

为了完成这一挑战，Metin Sitti教授团队首次将具有更低相变温度的液晶凝胶引入到软体机器人的设计与制备中。

所谓的液晶凝胶是指液晶聚合物（LCE）、液晶弹性体（LCN）等经过液晶小分子（LC）溶胀处理后形成的对光刺激更敏感的光热材料。

利用液晶凝胶材料制备的仿生软体机器人具有两个优点，分别是：

高效的光热转化效率

在本研究中，Metin Sitti教授等通过改变液晶凝胶中掺杂的液晶小分子（5CB）的含量，来调控所得材料的密度和相变温度。

如图3所示，随着掺杂量的增加，所得液晶凝胶在单位光照的照射下产生的形变量也随之增大。另外，通过利用有限元（FE）进行的热力学模拟结果表明液晶凝胶在水中的光热转化效率几乎是传统液晶材料的30倍。

这意味着，人们仅仅通过很少的光照就可以操纵仿生软体机器人，而无需负载额外的供电、感应和制动系统。

图3. 随着液晶小分子含量增加，A）液晶凝胶的形变量（δ）也随之增加；B）单位形变量所需光照强度减弱；C）连续形变量也随着斩光频率的减小而显著增加。

多类型水下运动的仿真

该仿生软体机器人的第二个优点是，由于照亮的特定部位可使整个器件发生快速且可逆的形变，从而人们可以通过控制光线的照射位置以及闪烁频率来驱动该机器人实现诸如爬行、跳跃等运动行为（图4）。

图4. 光驱软体机器人模拟海参等软体动物水下行走和跳跃。

并且，液晶凝胶在光线的照射下，其密度会降低7-8％，从而使其在水中更轻。

因此在特定的时间间隔打开和关闭光照，可以驱动该机器人模拟海参等软体动物的游泳行为（图5）。

图5：光驱软体机器人模拟海参等软体动物水下游泳行为。

该项研究以“Bioinspired underwater locomotion of light-driven liquid crystal gels”为题在《美国科学院院刊》（PNAS）杂志上发表。该论文的第一作者是Hamed Shahsavana、通讯作者为Metin Sitti教授。

本文已获“长春光机所Light学术出版中心”授权