大自然中復雜、精巧的智能生物系統(tǒng)一直是人類科技創(chuàng)新的靈感源泉。眾多科學家在仿生學科的不同領(lǐng)域取得了諸多的顯著成績和突破。但是，目前模仿智能生物，設(shè)計、構(gòu)建能夠進行自我調(diào)節(jié)、目標自主識別的微型人工智能系統(tǒng)仍然是仿生微機器人技術(shù)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。光作為一種常見的外界刺激源，具有可遠程控制、清潔、無接觸等獨有特性，使得光控智能微型機器人的研究成為當前熱點。但是，之前諸多研究都是基于外部入射光源進行器件的致動等操作，使其應(yīng)用范圍有一定局限性。
近日，芬蘭坦佩雷理工大學（Tampere University of Technology）Hao Zeng和Arri Priimagi等科學家以捕蠅草為仿生對象，通過將含偶氮光響應(yīng)性液晶彈性體（liquid-crystal elastomer，LCE）與光學纖維相結(jié)合，設(shè)計、構(gòu)筑了一款無需外部光源輔助的自動化智能軟體機器人。該軟體機器人能夠感知和識別目標，并可自動捕獲與釋放目標。
天然捕蠅草的機械刺激響應(yīng)性。圖片來源：Nat. Commun.
人工“捕蠅草”的光刺激響應(yīng)性。
研究團隊基于摩擦取向的方法使得含偶氮LCE液晶基元進行取向排列，從而增加其光致動性，從而制備具有較強光響應(yīng)性的LCE樣條作為光致動夾具。與之相連的光纖傳輸入射光線，光致動夾具能夠基于光強變化實現(xiàn)“開/關(guān)”的可逆智能調(diào)控。
當有目標物體處于人工“捕蠅草”的夾具上方時，器件自身光纖傳輸?shù)墓饩€照射到目標物體后產(chǎn)生光線反射；反射光則激發(fā)光響應(yīng)LCE產(chǎn)生致動彎曲，從而抓取目標物體。而當光纖光源關(guān)閉后，LCE又恢復其初始的伸展狀態(tài)，實現(xiàn)目標物體的釋放。該光致動器件的巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了軟體器件的自動感知和抓取/釋放“人造昆蟲”，并克服了對輔助外部入射光源的依賴。
該光致動裝置能夠高效可逆抓取/釋放質(zhì)量為其自重幾百倍的任何形狀的微小物體。而且光致動夾具產(chǎn)生的致動力大小和光響應(yīng)速率能夠通過光強進行精確調(diào)控。
——總結(jié)——
模仿自然界的有機體進行功能性微型機器人系統(tǒng)設(shè)計、構(gòu)筑是當前的研究前沿熱點之一。但是，實現(xiàn)仿生機器人多種環(huán)境體系下寬領(lǐng)域智能化應(yīng)用仍是一項巨大的挑戰(zhàn)。該論文中，研究團隊通過將含偶氮光響應(yīng)性LCE與光纖相結(jié)合，克服了對外部光源的依賴。基于器件結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計，實現(xiàn)了軟體光致動器件的智能化目標感知、捕獲及釋放操控。這種簡單的人工“捕蠅草”智能光驅(qū)動裝置設(shè)計，將為其他智能微機器人的設(shè)計、開發(fā)奠定基礎(chǔ)和提供指導。
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