研究背景

仿生學的進步極大地推動了先進機器人技術的興起與發展，同時也為諸多科學技術領域帶來了新的活力。自然界中的可編程、自驅動、自維持的驅動形式，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等，在生命體中發揮著極其重要的作用，令科學家們著迷（其中自驅動/自維持是指物體在恒定的外部刺激下進行持續不斷的特定規律性執行功能，該過程無需人為開/關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象借鑒到智能化功能器件的開發中仍然十分困難，尤其在發展自主智能光子學技術領域。

圖1 基于智能仿生自驅動液晶執行器的主動光子學應用

研究亮點

近日，受大自然啟發，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具有自驅動、自反饋、自維持振蕩功能的可編程智能仿生液晶軟執行器，并實現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制、小型化集成等優點，非常適用于開發各種可執行驅動器，尤其是具有特定光學功能的智能執行器。

然而，由于液晶微結構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展。在該工作中，科學家們將微觀結構的可編程設計和宏觀形變的工程化控制有機結合，不僅成功演示了液晶執行器的受控彎曲形變以及仿生企鵝蹣跚步態的自振蕩運動，還基于上述智能執行功能實現了動態二維光束偏轉和自主自持續的智能光場調控功能。該工作提出的智能自驅動、自反饋、自維持液晶執行器有望在未來主動光學系統、智能光子學應用以及具有熱-機械-光執行轉換功能的自主機器人等領域得到廣泛應用。

圖2 智能仿生液晶執行器的自驅動、自反饋、自維持振蕩行為研究

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

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

圖3 基于智能仿生自驅動液晶執行器的動態光束控制

圖4 基于智能仿生自驅動液晶執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計劃、國家自然科學基金委等支持。

該工作是團隊近期關于液晶智能自驅動執行器相關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，誘導構筑精密螺旋拓撲超結構，開發了一種模擬細菌鞭毛運動的智能自驅動、可編程光控液晶執行器，實現了基于光驅動自組裝微結構嚙合原理的高效、并行、智能粒子操縱系統。

審核編輯：劉清