大自然中復(fù)雜、精巧的智能生物系統(tǒng)一直是人類科技創(chuàng)新的靈感源泉。眾多科學(xué)家在仿生學(xué)科的不同領(lǐng)域取得了諸多的顯著成績和突破。但是，目前模仿智能生物，設(shè)計(jì)、構(gòu)建能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)、目標(biāo)自主識別的微型人工智能系統(tǒng)仍然是仿生微機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。光作為一種常見的外界刺激源，具有可遠(yuǎn)程控制、清潔、無接觸等獨(dú)有特性，使得光控智能微型機(jī)器人的研究成為當(dāng)前熱點(diǎn)。但是，之前諸多研究都是基于外部入射光源進(jìn)行器件的致動(dòng)等操作，使其應(yīng)用范圍有一定局限性。
近日，芬蘭坦佩雷理工大學(xué)（Tampere University of Technology）Hao Zeng和Arri Priimagi等科學(xué)家以捕蠅草為仿生對象，通過將含偶氮光響應(yīng)性液晶彈性體（liquid-crystal elastomer，LCE）與光學(xué)纖維相結(jié)合，設(shè)計(jì)、構(gòu)筑了一款無需外部光源輔助的自動(dòng)化智能軟體機(jī)器人。該軟體機(jī)器人能夠感知和識別目標(biāo)，并可自動(dòng)捕獲與釋放目標(biāo)。
天然捕蠅草的機(jī)械刺激響應(yīng)性。圖片來源：Nat. Commun.
人工“捕蠅草”的光刺激響應(yīng)性。
研究團(tuán)隊(duì)基于摩擦取向的方法使得含偶氮LCE液晶基元進(jìn)行取向排列，從而增加其光致動(dòng)性，從而制備具有較強(qiáng)光響應(yīng)性的LCE樣條作為光致動(dòng)夾具。與之相連的光纖傳輸入射光線，光致動(dòng)夾具能夠基于光強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)“開/關(guān)”的可逆智能調(diào)控。
當(dāng)有目標(biāo)物體處于人工“捕蠅草”的夾具上方時(shí)，器件自身光纖傳輸?shù)墓饩€照射到目標(biāo)物體后產(chǎn)生光線反射；反射光則激發(fā)光響應(yīng)LCE產(chǎn)生致動(dòng)彎曲，從而抓取目標(biāo)物體。而當(dāng)光纖光源關(guān)閉后，LCE又恢復(fù)其初始的伸展?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的釋放。該光致動(dòng)器件的巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了軟體器件的自動(dòng)感知和抓取/釋放“人造昆蟲”，并克服了對輔助外部入射光源的依賴。
該光致動(dòng)裝置能夠高效可逆抓取/釋放質(zhì)量為其自重幾百倍的任何形狀的微小物體。而且光致動(dòng)夾具產(chǎn)生的致動(dòng)力大小和光響應(yīng)速率能夠通過光強(qiáng)進(jìn)行精確調(diào)控。
——總結(jié)——
模仿自然界的有機(jī)體進(jìn)行功能性微型機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、構(gòu)筑是當(dāng)前的研究前沿?zé)狳c(diǎn)之一。但是，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人多種環(huán)境體系下寬領(lǐng)域智能化應(yīng)用仍是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。該論文中，研究團(tuán)隊(duì)通過將含偶氮光響應(yīng)性LCE與光纖相結(jié)合，克服了對外部光源的依賴。基于器件結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了軟體光致動(dòng)器件的智能化目標(biāo)感知、捕獲及釋放操控。這種簡單的人工“捕蠅草”智能光驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，將為其他智能微機(jī)器人的設(shè)計(jì)、開發(fā)奠定基礎(chǔ)和提供指導(dǎo)。
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