近年來，隨著軟體機器人技術發展，為了實現在陸、海、空領域高速運動，驅動裝置需要更高的輸出功率。尤其在微型飛行器中，為了克服自重并實現起飛，需要讓驅動器輸出功率密度達到一定閾值。

此外，軟體機器人系統依賴復雜的控制和外接電源供能，對于實現無線自主運動方面提出了額外的挑戰。

相較于傳統的壓電陶瓷與介電彈性體等材料，刺激響應聚合物可以對光做出響應，為新一代遠程操控機器人提供了設計思路。

近年來，美國加州大學洛杉磯分校賀曦敏教授課題組對光響應聚合物的自激振蕩進行了深入研究，這種現象模擬了自然界的自我調節機制，通過材料與光的動態反饋實現無線自調控驅動，僅需遠程能量輸入，無需人工干預即可實現材料的動態往復運動。

圖 | 賀曦敏（來源：賀曦敏）

然而，現有光致振蕩驅動器的輸出功率遠低于昆蟲飛行肌肉（>29W/kg）或其他驅動原理，主要痛點是實現振蕩的條件通常要求材料柔軟易響應，而這些材料難以實現高頻運動。

為克服這一難點，研究團隊提出了一種創新的光驅動振蕩器設計思路，靈感源于昆蟲飛行肌肉中的兩組對抗肌肉結構：背縱肌和縱向肌交替收縮，以實現高效振翅。

（來源：Nature Materials）

團隊設計的振蕩器 FLaPTOR（Flapping LCE-and-PDMS Trilayer Oscillatory Robot）采用兩層光響應液晶彈性體（LCE，Liquid Crystal Elastomer）和一層非活性彈性體組成的三明治結構。兩片 LCE 膜在光照下產生對抗運動，實現周期振蕩。相比傳統單組份或雙層設計，這種結構顯著提升輸出功率密度至 33W/kg，相當于昆蟲飛行肌肉的功率輸出。FLaPTOR 具備廣光譜響應和多功能集成性，可實現高速運動，如基于撲翼模式的帆船行進和雙向步行運動。

對于相關論文，審稿人表示盡管多年來已出現多種軟聚合物驅動器，但在自持性、強效性和多功能性上仍無法媲美自然的骨骼肌肉，因此看到這一長期難題得到解決令人振奮。

課題組希望將現有成果應用于智能無人機器人系統，覆蓋陸地、海洋和空中領域。傳統無人系統依賴電機扭矩驅動輪子或螺旋槳，并搭載電池供能。而基于光致自激振蕩的驅動系統具備利用遠程能源或自然光持續供能的優勢，減輕電池負擔并且可以獲得理論永久的續航時間。

同時，自激振蕩賦予了機器人自我控制的能力，使其更加智能。對于鳥類和昆蟲而言，扇動翅膀以產生升力是主要的飛行模式，這種仿生扇翅提供動力的模式也與軟體驅動器的運動模式高度契合。

在本研究中，具備自激振蕩模式的 FLaPTOR 系統實現了 33W/kg 的輸出功率。若這種驅動模式的輸出功率進一步提升，將有望實現仿鳥類和昆蟲的撲翼飛行模式，達到起飛和懸停。同時，隨著能量轉化率的提升，研究團隊也期待能夠利用自然光直接驅動并控制機器人前進。

此外，FLaPTOR 具備高功率輸出，結構簡單且多功能集成性強。課題組展示了該系統的自感知驅動以及壓電/熱電納米發電功能。未來，這種高效無人機器人有望進一步集成傳感和儲能功能。

事實上，在這篇論文發表之前，課題組在光響應刺激響應聚合物和光致自調控驅動領域已有多項相關研究，且這一方向的工作貫穿始終。正是在這些前期研究的支撐下，通過靈感的啟發與縝密的研究，研究團隊才能順利完成并投稿發表。

過去幾年中，課題組在光致自調控驅動原理進行了深入探索。例如，2019 年研究團隊利用水凝膠實現了仿生向光性驅動 [1]，其中融合了光與材料的內在調節反饋機制。同年，課題組進一步將水凝膠光致自調控的“靜態”向光性擴展為“動態”的自激振蕩，通過調整材料的物化性質放大了自調節負反饋回路，并探討了其在水下游泳機器人中的潛力 [2]。然而，研究團隊也意識到，水凝膠的低力學模量限制了運動能力，而水下系統的高能耗進一步影響了能量轉化效率。

在隨后的研究中，課題組選擇了液晶彈性體作為新材料，逐漸明確了研究的核心目標，即打造一種能在日光下實現高效振動輸出的可持續自主調控機器人材料。研究團隊優化了液晶彈性體的化學組分和驅動器結構，使得驅動器在低光源輸入下也能產生有效的振蕩并推動機器人運動 [3]。

基于此，課題組進一步構想是否能夠通過這種自主調控的驅動模式產生足夠高的動力，例如模仿昆蟲翅膀的扇動飛行。借鑒昆蟲體腔中對抗肌肉組織的結構，研究團隊設計了交替收縮的雙層肌肉結構，從而使驅動器獲得更高的功率輸出。

本次研究最終敲定的主題雖然是構建出輸出功率最高的光致自激振蕩器，然而研究并不同于創作，往往并不從一開始就有明確的目的導向。

當時，課題組正在研究一種雙層結構：一層受光收縮，另一層保持不變，從而在光照下驅動器向收縮的一層彎曲；當彎曲到一定程度后，光被阻擋、材料冷卻恢復，使其重新暴露在光照下再次收縮，從而實現自激振蕩。

盡管這種結構實現了振蕩效果，但給人的直觀印象是一張紙片在隨風飄蕩，難以將其視為真正的軟體機器人。

因此，研究團隊自然的思考是否可以改進這種結構，既增強其堅固性，又提高振蕩頻率和幅度。由于原結構僅一側受光彎曲，冷卻只能依賴材料被動散熱，效率偏低。課題組想到可以在不形變的一側增加再一個收縮層，從而使光照兩側都能實現收縮，中間一層則隔絕兩邊的“肌肉”。這一結構的制備結果與研究團隊的預期一致，給了課題組很大的信心。

隨后，研究團隊對驅動器進行了多次優化，將其輸出功率從 3.6W/kg 提高到 33W/kg。與此同時，課題組對這一結構進行了嚴謹的實驗驗證，并建立了多物理場仿真模型。在整個研究過程中，研究團隊不斷重復驗證，證明高輸出功率并非偶然現象，并從多個研究角度對這一現象進行科學解釋，最終呈現出現在讀者面前的完整故事。

這項研究從發現現象、收集數據、撰稿、提交到最終發表，前后花了將近三年的時間，期間經歷了許多挑戰。若要記錄最難忘的經歷，便是對這一結構的反復詮釋。

雖然電腦里存儲了數百個樣品在光照下激情擺動的視頻，課題組始終無法回避、也不斷自問的問題是——為什么構建三層結構就能實現如此高的輸出功率？為什么單組分材料無法達到這樣的效果？外行人可能會覺得這只是一個經典的三明治結構，但為何他人未曾想到并實現這一效果？

這些問題本質上是跳出了科研日常細碎的樣品制備、表征與分析，而是在更高視角下審視挖掘課題本身的創新性。這些問題在團隊每個人的腦海中反復縈繞。每次小組討論參加的人與講的話題或許各不相同，但最終總會回歸到這些問題上來。

回想起來正是這些靈魂拷問，讓研究團隊逐漸從最初的“困惑”中一步步接近答案。課題組進行了非常嚴謹詳實的實驗探索，深入研究了結構的彈性模量、振動阻尼、熱傳導特性，材料在光照下的收縮做功能力，幾何因素與材料設計對輸出功率的影響等等，試圖從這些數據中找尋高功率的秘密。

研究團隊也做了經驗性質的功率和物理參數的擬合，借此發現高模量與高收縮率在實現高功率輸出中扮演主要角色。同時，課題組還搭建了多物理模擬模型，將材料的物理化學性質表征數據輸入模型，進行仿真分析。

值得一提的是，最初的模擬結果就已顯示出兩種結構在現象上的顯著差異。然而，研究團隊并不認為模擬是為了服務實驗現象，即止步讓兩者數據接近。相反，課題組認為模擬和實驗應相互比較、多次優化，以達到相互指導的效果。

研究團隊多次調整邊界條件，雖然這個過程痛苦而漫長，但最終實現了令人滿意的模型，甚至能夠完成對一些實驗難以控制的物理量的預期。

日前，相關論文以《對抗性收縮的高功率光振蕩器用于多功能驅動》（Antagonistic-contracting high-power photo-oscillators for multifunctional actuations）為題發在Nature Materials[4]，Yusen Zhao 是第一作者，賀曦敏擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Materials）

總的來說，本次課題組開發了一種在恒定光照下驅動的高功率輸出自激振蕩器。這種具有對抗肌肉設計的高性能驅動器在無線自主機器人領域中具有巨大潛力。

后續工作包括基于這種振蕩裝置的結構設計、材料創新、機械制造、驅動和控制的一系列整合。從振蕩器性能角度出發，研究人員將著重提升光熱能量轉化效率，并提升驅動器效率以在維持振蕩功率密度的同時減少光能輸入。

課題組同時也在探索其他的光驅動模式，例如多模態驅動和協同振蕩，有望突破方向控制和單翼振蕩驅動的限制，為未來應用提供更多可能性。更重要的是，利用光驅動的自主振蕩實現未來的飛行，更具有深遠影響。而實現這一目標需要一系列復雜研究，包括更強健的智能材料、更高功率的振蕩器、高效的空氣動力學設計，以及多翼同步懸停的系統設計等等。

參考資料：

1.Nature Nanotechnology, 2019, 14(11)

2.Science Robotics, 2019, 4(33)

3.Science Robotics, 2023, 8(77)

4.Zhao, Y., Liu, Z., Shi, P. et al. Antagonistic-contracting high-power photo-oscillators for multifunctional actuations.Nat. Mater.24, 116–124 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02035-3

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