研究背景

仿生學的進步極大地推動了先進機器人技術(shù)的興起與發(fā)展，同時也為諸多科學技術(shù)領域帶來了新的活力。自然界中的可編程、自驅(qū)動、自維持的驅(qū)動形式，例如人類心臟的跳動、鳥兒翅膀的煽動以及企鵝蹣跚的步態(tài)等，在生命體中發(fā)揮著極其重要的作用，令科學家們著迷（其中自驅(qū)動/自維持是指物體在恒定的外部刺激下進行持續(xù)不斷的特定規(guī)律性執(zhí)行功能，該過程無需人為開/關(guān)或特意設置改變外場條件）。然而，要想把這類復雜的自反饋現(xiàn)象借鑒到智能化功能器件的開發(fā)中仍然十分困難，尤其在發(fā)展自主智能光子學技術(shù)領域。

圖1 基于智能仿生自驅(qū)動液晶執(zhí)行器的主動光子學應用

研究亮點

近日，受大自然啟發(fā)，南京大學陸延青教授/馬玲玲副研究員團隊與南京郵電大學李炳祥教授、東南大學李全院士團隊合作，基于液晶聚合物設計開發(fā)具有自驅(qū)動、自反饋、自維持振蕩功能的可編程智能仿生液晶軟執(zhí)行器，并實現(xiàn)了新穎的自主智能光學與光子學應用（圖1）。作為光電子/光子器件應用的明星材料，液晶（Liquid Crystal，LC）聚合物體系因其優(yōu)異的光學各向異性、彈性變形、圖案化操控、多刺激響應以及大幅度調(diào)制、小型化集成等優(yōu)點，非常適用于開發(fā)各種可執(zhí)行驅(qū)動器，尤其是具有特定光學功能的智能執(zhí)行器。

然而，由于液晶微結(jié)構(gòu)的光學效應和宏觀的力學機械行為是跨尺度的（分別為微觀和宏觀），以往的研究常常把兩者割裂，極大限制了液晶聚合物在自主智能光子學領域的發(fā)展。在該工作中，科學家們將微觀結(jié)構(gòu)的可編程設計和宏觀形變的工程化控制有機結(jié)合，不僅成功演示了液晶執(zhí)行器的受控彎曲形變以及仿生企鵝蹣跚步態(tài)的自振蕩運動，還基于上述智能執(zhí)行功能實現(xiàn)了動態(tài)二維光束偏轉(zhuǎn)和自主自持續(xù)的智能光場調(diào)控功能。該工作提出的智能自驅(qū)動、自反饋、自維持液晶執(zhí)行器有望在未來主動光學系統(tǒng)、智能光子學應用以及具有熱-機械-光執(zhí)行轉(zhuǎn)換功能的自主機器人等領域得到廣泛應用。

圖2 智能仿生液晶執(zhí)行器的自驅(qū)動、自反饋、自維持振蕩行為研究

新型仿生智能軟體液晶執(zhí)行器實現(xiàn)自主自驅(qū)動功能，開創(chuàng)主動液晶光子學應用新領域。該工作中，研究人員將液晶執(zhí)行器設計成絲帶狀薄膜，具有扭曲向列相液晶手性螺旋結(jié)構(gòu)，其上下表面非對稱的液晶指向矢分布使得液晶執(zhí)行器可以方便地發(fā)生熱機械響應而發(fā)生可編程彎曲形變。通過設置適合適的熱場，研究了其獨特的仿生自驅(qū)動振蕩規(guī)律及內(nèi)在機制（圖2），進而展示了液晶軟執(zhí)行器在恒定溫控下對光的自主操縱功能：動態(tài)光束偏折控制（圖3）和智能自驅(qū)動光場調(diào)控（圖4）。

該工作結(jié)合了液晶執(zhí)行器彈性各向異性的宏觀設計和液晶微結(jié)構(gòu)光學各向異性的光物理過程，實現(xiàn)了自主自驅(qū)動智能特性與光子學功能的無縫銜接。該類液晶執(zhí)行器具有自維持驅(qū)動特性，無需開/關(guān)激勵或外場調(diào)諧，不僅擴展了以往只關(guān)注液晶聚合物薄膜機械響應的報道，而且為具有熱-機械-光轉(zhuǎn)化功能鮮明的智能驅(qū)動器提供了新的視角。

圖3 基于智能仿生自驅(qū)動液晶執(zhí)行器的動態(tài)光束控制

圖4 基于智能仿生自驅(qū)動液晶執(zhí)行器的主動光子學應用

該研究成果以“Autonomous Self-Sustained Liquid Crystal Actuators Enabling Active Photonic Applications”為題發(fā)表于國際一流期刊《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater.2023, 2301142）。南京大學陸延青教授、馬玲玲副研、南京郵電大學李炳祥教授和東南大學李全院士為該論文的共同通訊作者。南京大學碩士研究生鄭仁和馬玲玲副研為該論文的共同第一作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委等支持。

該工作是團隊近期關(guān)于液晶智能自驅(qū)動執(zhí)行器相關(guān)研究的最新進展之一。此外，團隊還通過巧妙引入光響應手性分子開關(guān)，誘導構(gòu)筑精密螺旋拓撲超結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種模擬細菌鞭毛運動的智能自驅(qū)動、可編程光控液晶執(zhí)行器，實現(xiàn)了基于光驅(qū)動自組裝微結(jié)構(gòu)嚙合原理的高效、并行、智能粒子操縱系統(tǒng)。

審核編輯：劉清