基于液晶弹性体的环面微型机器人torus microrobots，可以自主维持旋转，通过利用拓扑引发的自调节，以及光学控制摩擦力和拖曳力，可在陆地和流体环境中，表现出了定向运动。
在生物系统中，普遍存在着自主运动Autonomous motion，生物系统从周围环境中获取能量，并拥有自主调节的反馈回路1。然而，人工软体机器，人通常取决于动态刺激，或单独控制系统，以进行连续变形和运动2，3。关于在时不变条件下，具有自持运动的连续软体机器人，还鲜有报告，关于小型化系统的报道更少4。拓扑和对称破缺，目前已经被用来提供具有物理智能的软材料，用于自调节驱动和运动5。然而，在多个环境中，设计具有自维持运动和动态可操纵性的微型机器人，仍然是巨大的挑战。现在，在《自然材料》（Nature Materials）杂志上，Zixuan Deng及其同事报道了一种毫米大小的环面机器人，在恒定光照下，可实现连续旋转，并通过利用光学控制的摩擦力和阻力，在陆地和流体环境中，实现了定向移动6。
微型机器人的设计，主要是通过连接液晶弹性体 liquid crystal elastomer (LCE)纤维的两端形成一个环，从而产生有利于自主运动的零弹性能量模zero-elastic-energy modes (ZEEMs) 。零能模是指凝聚态物质中的“流体动力学”状态，具有连续的对称性破缺，几乎没有能量消耗，例如液晶的向列相。Baumann及其同事，将这一概念推广到弹性材料，并应用零弹性能量模描述尼龙和聚二甲基硅氧烷环面中的力学阻挫mechanical frustrations，这些环面在热板上表现出了自持旋转5。具有零弹性能量模ZEEM的软材料特征是，在运动期间的自相似形态和平坦的能量景观，类似于在水平面上滚动球的状态。制造引起的预应变，使能量势垒变平，阻止环面的旋转，从而实现零弹性能量模ZEEM。在外部刺激时，扭矩出现并且不断旋转环面。整个结构的协同变形，为自调节和持续运动，提供了集体智能5，7。这样就成就了零弹性能量模Zeems作为结构材料8，9非平衡运动的有效机制（图1a）。
图1: 持续刺激时，材料的拓扑促进自主运动。a) 具有力学阻挫的建筑材料中，本征零弹性能量模zero-elastic-energy modes，ZEEMs。在静态条件下，材料的自相似形态和能量分布，有利于自主运动。b) 在静态照明时，液晶弹性体liquid crystal elastomer，LCE环面的连续旋转。静态拓扑预应变和动态光热应变耦合产生了用于环面持续旋转的驱动力矩。左图：半径为R的环面示意图，由半径为r的纤维构成。右图：旋转过程中，环面的横截面。c) 在基底上，液晶弹性体LCE环面的光可控运动。倾斜照明导致环面上的不对称摩擦，从而导致单向运动。左图：陆地运动的快照。右：平移距离。插图显示了速度为υ的运动过程中，摩擦力分析 (f1 > f2)。d) 在Stokes区域中，液晶弹性体LCE环面的光可控游动。持续旋转在环面外侧和内侧产生了不同阻力(f1 > f2)，从而在低雷诺数极限下游动。游动方向可通过改变环面周围阻力分布的倾斜照明来重新定向，从而实现具有受控轨迹的导航。左图：环面游动示意图。中间：在从顶部照明的情况时的向上游动，并使用倾斜照明导航，以重新确定游动方向。右图：在三维空间中，环面的运动轨迹。比例尺，1毫米 (c,d)。
Deng及其同事，利用具有快速各向异性响应的液晶弹性体LCE纤维，设计了环面微型机器人。纤维的热膨胀系数 (α) ，主要由沿着或垂直于长轴液晶基元的排列控制，在加热或光照时，表现出了可逆收缩（α<0）或膨胀（α>0）。当液晶弹性体LCE环面放置在热板上时，产生了垂直于制造引起预应变的热应变。如果环面克服耗散阻力，则静态和动态应变耦合，会产生使环面旋转的扭矩。对于环面来说，将热收缩区域与内圆周中的几何压缩区域对准align，在能量上是有利的。
在恒定光照时，在环面中也实现了自持旋转，以产生光热应变，以激活零弹性能量模ZEEM（图1b）。由于光热应变，施加在顶表面上，因此环面的旋转方向与热板上的旋转方向相反。远程光刺激，使环面零弹性能量模ZEEM运动和动态可操纵性成为可能，这对于不受束缚的微型机器人来说，是至关重要的。已经使用定向照明6演示了液晶弹性体LCE环面的多领域运动。倾斜照明控制了环面的地面运动，这种倾斜照明改变温度分布，并产生了与基底的不对称摩擦（图1c）。环面靠近光源的一侧，具有较高的温度，变得较软并且具有较大的摩擦力。因此，除了旋转之外，环面（α<0）在倾斜照明时，倾向于远离光源，这与热板上的随机平移运动不同。
通过将环面（α<0）悬挂在一根线上，也可以实现光可操纵的运动：水平照明导致反向旋转和朝向光源的运动6。环面与螺纹的接触，提供了静摩擦，并能够实现稳定的运动。邓和他的同事还演示了在充满甘油玻璃导管的有限空间中，环面的可操纵运动。外环与导管内表面紧密相互作用的环面，在光照下表现出持续旋转，并且在环面上，施加摩擦力（α>0），从而驱动朝向光源的运动。
这项工作的另一个显著成就是，在斯托克斯区域中，环面的光可控游动，其中粘性力支配流动性。Deng及其同事，通过使用光为环面提供燃料，并在高粘性液体（雷诺数约为0.0001）中，操纵环面，克服了这一挑战，如Purcell于1976年所提出的10。当从顶部照射时，环面（α>0）显示外翻旋转，并朝向光源进行自主游动（图1d）。旋转产生的粘性阻力，取决于环面的表面积。在环面外表面的作用阻力，相对较大，导致向光线游动。对于α<0的环面，观察到了远离光源的反向效应。游动方向，可通过倾斜照明重新定向，以改变环面周围的阻力分布。靠近光源的一侧，温度较高，降低了周围的粘性，产生的拖曳力较小。因此，这一侧用作锚，用于将环面朝向光重新定向，直到照明均匀为止。环面的这种光学驱动重新定向，在具有受控轨迹的三维空间中，有望实现导航行为。
Deng及其同事的研究，强调了在设计自维持非平衡运动的连续软体机器人方面，零弹性能量模zero-elastic-energy modes，ZEEMs的多功能性。通过利用光作为能量来源和转向工具，毫米大小的液晶弹性LCE环面，在一系列环境中，表现出了自主旋转和平移运动。尽管手工制作妨碍了具有更复杂结构的微型机器人设计，但这项工作加深了对非平衡原理的理解，并为设计逼真的软体机器人，提供了可能性。了解物理智能的拓扑结构和对称性，以及探索软体机器人的动态可操纵性策略，对机器人界具有重要意义。邓及其同事的工作中展示的原理应该适用于其他材料，以设计尺寸更小、运动更灵活、在受限和极端环境中应用更广泛的连续软体机器人。
参考文献
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