文章导读
柔性执行器具有相比刚性结构更大的自由度和更加灵活的运动控制，因此擅长模拟生物运动行为，引起了研究者们的广泛关注。毫米级柔性执行器由于其微小的尺寸，适用于搜索救援、药物输送和人类援助等领域的潜在应用。为了实现这些应用，首先需要实现毫米级柔性执行器的精确操控。由于毫米级柔性执行器尺寸小，相对变形量大，对其变形方向和变形程度的精确控制要比刚性材料困难得多，这也导致了柔性机器人的控制精度相对较低，限制了其进一步应用。
近期，合肥工业大学工业与装备技术研究院胡颖研究员和张晨初副研究员课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“All-optical driven soft crawler with complex motion capabilities”的论文，研究者通过调整激光光束的照射位置和扫描路径，可以同时控制柔性执行器的驱动力大小和方向，实现复杂运动。值得一提的是，该方法不受特定材料的限制，其他类似的光热响应执行器都适用于该方法。研究结果表明，这种全光学的操控方法可以实现对柔性执行器的高精度和无线控制。该执行器对斜坡、狭窄通道、高湿、低温等极端环境条件具有良好的适应性，这为柔性执行器在不同场景中的应用开辟了可能性。
引用：
Zhang, C., Wang, J., Zhao, L., Chen, R., Zhao, Q., Zhao, J., … Hu, Y. (2024). All-optical driven soft crawler with complex motion capabilities. International Journal of Smart and Nano Materials, 1–17. https://doi.org/10.1080/19475411.2024.2353312
文章内容
CNTs（碳纳米管）/PDMS（聚二甲基硅氧烷）复合薄膜具有可逆的弯曲特性。如图1所示，以尺蠖虫的爬行为灵感，近红外激光作为驱动源，我们提出的这种全光驱动柔性执行器具备在复杂环境中运动的能力，如转弯、爬坡、钻缝等，具有广泛的应用潜力。
图1. 基于CNTs/PDMS的蠕虫状柔性爬行执行器
接下来我们进一步研究了这种CNTs/PDMS双层膜的光热驱动性能，通过照射不同位置，柔性执行器在照射部位发生弯曲，因此可以模拟手指关节运动。此外，在200 mW内执行器的弯曲角和温度与激光功率呈正相关，执行器具有较大范围的响应变形能力。在100次重复辐照下，执行器表现出良好的耐久性（如图2所示）。
图2. 基于CNTs/PDMS的柔性执行器光热性能研究
为了进一步探究柔性执行器的操控方法，探索爬行执行器的应用潜力，我们使用近红外激光从头部向尾部扫描。在此过程中，由于头部和尾部与地面的接触角不同，柔性执行器自身伸展时所产生的与身体切线方向垂直的张力也有所不同。在爬行起始阶段，头部的张力有个向上的分力，而尾部的张力有向下的分力。这就导致了头部的摩擦力降低，而尾部的摩擦力增大（图3c(i)）。随着光照的继续进行，执行器身体继续伸展，头部由于受到的摩擦力较小而向前运动，尾部由于摩擦力较大而锚定在地面（图3c(i)(ii)）。当没有光刺激时，执行器开始收缩，此时头部的收缩力产生向下的分力，而尾部的收缩力产生向上的分力，因此头部摩擦力大于尾部，尾部开始运动，头部开始锚定，直至收缩至初始状态。（图3c(iv,v,vi)）。
图3. 爬行执行器在循环光照驱动下的实物图、原理图和受力分析图
在上述研究的基础上，为了控制执行器的爬行轨迹，我们设计了不同的照射模式，通过调整近红外激光的扫描轨迹来引入摩擦力的不对称性，实现控制执行器沿直线前进或转向。
图4. 在不同辐射策略下爬行执行器的运动特性
以上的研究充分证明了全光驱动可以驱动柔性爬行执行器运动，并且控制其运动方向。我们在此基础上设计了多种多种驱动策略，展现了其多功能爬行特性。如图5所示，通过近红外激光驱动，执行器能够在斜面和管道中爬行、转弯避障和狭窄空间中的移动，还能够在意外从高处落下后继续运动。此外，执行器能够运输物体，并能在高温度、高湿度环境下保持其响应能力，展示了其在极端条件下的工作能力。
图5. 柔性爬行执行器在不同场景中的应用
合肥工业大学工业与装备技术研究院张晨初副研究员为本文第一作者，胡颖研究员为通讯作者。
课题组简介
胡颖，研究员，博士生导师，安徽省杰出青年科学基金获得者，主要从事光/电驱动柔性智能材料及应用研究；2007年6月中国科学技术大学硕士毕业，2012年6月中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士毕业。2007年7月到2016年9月在中国科学院苏州纳米所工作，历任研究实习员、助理研究员、博士后、副研究员，2016年10月加入合肥工业大学工业与装备技术研究院，任研究员。已在国际学术期刊Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等发表SCI论文60余篇。相关研究成果被《nanowerk》、《MaterialsViewsChina》、《人民日报》、《新浪网》等媒体亮点报道。
张晨初，副研究员，硕士生导师，主要从事飞秒激光加工柔性执行器研究。2016年博士毕业于中国科学技术大学，2017年12月加入合肥工业大学工业与装备技术研究院。以第一作者或通讯作者发表论文17篇，所发表文章多次被选封面文章、受到美国科学促进会高亮报道以及美国光学学会Editor’s pick。所发表论文近五年总被引次数超过1500次。
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
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