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大自然一直是人類模仿各種生物體的生物柔軟度、身體順應性和重要功能的靈感來源。最近，基于響應性軟材料設計的仿生軟體機器人引起了研究人員越來越多的關注。相比于傳統的剛性機器人，軟體機器人具有結構可變形性、人機交互友好性、驅動自由度高、環境順應性和適應性強等獨特優勢。先前基于軟材料如水凝膠、液晶網絡（LCN）和形狀記憶聚合物（SMP）的研究表明，LCN由于具有各向異性、可逆和可編程的形狀變形特性，被認為是制備刺激驅動軟執行器優異的候選者之一。然而，基于LCN的軟體機器人系統通常受限于其固有的導熱或導電性不足以及與功能納米材料的機械不相容性。此外，由于鎵基液態金屬(LMs)具有卓越的流動性、高導熱和導電性等特性也被用于開發軟體機器人，但其變形和自適應運動大多由電場或化學刺激驅動且經常在酸性水溶液環境中防止表面氧化，這極大地限制了它們的功能和潛在的應用場景。因此，迫切需要提出一種軟物質工程策略來有效地結合液態金屬和功能聚合物或納米材料并保持其優異的內在特性。

鑒于此，天津大學封偉教授、王玲教授團隊和美國肯特州立大學李全院士合作提出了一種將導電液態金屬（LM）和形狀變形液晶網絡（LCN）集成到多功能和可編程軟機器人的普適性策略。該形狀可編程的LM-LCN執行器不僅結合了LCN的可逆形狀變形特性和LM的優異導熱/導電性，而且還實現了電熱驅動和近紅外光（NIR）驅動。為了驗證軟體機器人的功能，研究人員開發了近紅外光（NIR）驅動的自持續軟體振蕩器和軟體爬行器，并巧妙地將可編程軟機器人與傳統皮影藝術相結合，展示了基于光驅動軟體致動器的警察指揮交通、嫦娥奔月和詩人仰望燈塔等皮影戲場景。這項工作提出的策略有望為先進多功能軟物質材料的研究開辟了一個新的技術領域。相關工作以題為“Stimulus-Driven Liquid Metal and Liquid Crystal Network Actuators for Programmable Soft Robotics”的論文發表在國際權威材料期刊《Materials Horizons》上。

LM-LCN致動器在直流電壓或NIR光照射下的可逆形狀變形

研究者通過生物培養技術設計合成了生物質納米細菌纖維素，隨后，在生物納米纖維素的水懸浮液中對共晶鎵銦（EGaIn）LM和微型羧化金納米棒（MiniGNR-COOH）進行超聲處理，巧妙地設計和制造了一種獨特的膠體LM墨水。MiniGNR-COOH的引入不僅能夠穩定LM納米粒子，還可以大大增強膠體LM油墨的光熱性能。通過將膠體LM懸浮液涂覆到LCN薄膜上來制造形狀可變形的LM-LCN致動器（LCN厚度為~23 μm，LM涂層厚度約為0.3 μm）。LM-LCN致動器在施加直流電場或近紅外光照射時表現出可逆的形狀變形（如圖1），這是由于電熱和光熱誘導的液晶有序性降低和由此產生的薄膜平面取向側收縮和垂直取向側膨脹。LM-LCN致動器在施加低直流電壓后可以控制其彎曲角度，在1.5 V下3.0秒內彎曲角度可達34°，并在撤去電壓2 s內恢復到原始形狀。LM-LCN致動器的光響應動力學與LCN薄膜的厚度、膠體LM涂層的厚度和近紅外輻射的功率密度等幾個因素密切相關。LM-LCN致動器在NIR光照射（808 nm，0.3 W cm^-2）下，在2.5秒內可達到118°的彎曲角度，而且這種形狀變形具有優異的循環性。

圖1 LM-LCN致動器在施加直流電壓或NIR光照射后的可逆形狀變形

NIR光驅動形狀可編程LM-LCN執行器

LM-LCN致動器在NIR驅動下的形狀變形和時間編程功能歸因于嵌入式MiniGNR-COOH的卓越光熱轉換效率和膠體LM墨水的選擇性涂層特性。通過將膠體LM墨水涂覆到傾斜排列的LCN薄膜平面側的選定區域上可實現LM-LCN制動器的可編程變形能力（如圖2）。納米結構膠體LM涂層僅沉積在LCN膜的一側、中間部位和兩端時，在NIR光照射下能夠分別獲得可逆的S形、M形和W形驅動。研究人員在自然界中的振蕩現象如蜻蜓的翅膀中汲取靈感后，通過將膠體LM涂層沉積在LCN薄膜的一側，基于光熱和光彎曲變形導致的自陰影機制開發了頻率約為8.0 Hz的NIR光燃料LM-LCN自持軟振蕩器。研究人員進一步仿生自然界中尺蠖爬行，在光照打開/關閉的循環中，展示了一種受光驅動軟機器人爬行器，該爬行器由中心圖案LM-LCN在棘輪基板上易位制成。在NIR照射下，LM-LCN致動器前移是因為LCN表面向下彎曲時前后邊緣不同的摩擦力（F1>F2）。關閉NIR后，LCN條帶彈性恢復，前緣承受較大摩擦力（F4>F3）使履帶后部向前移動。此外，研究發現LM-LCN致動器的爬行速度與紅外光照射強度緊密相關，當808 nm紅外光的照射強為0.1、0.2 和 0.3 W cm^-2時，LM-LCN致動器爬行的平均速度分別為 1.17、1.51 和 1.75 mm s^-1。

圖2 NIR光驅動形狀可編程LM-LCN軟執行器

研究人員還通過組裝形狀記憶行為的LM-SMP與導電形狀可變形的LM-LCN致動器集成了光控可編程機器人皮影戲，所有的運動都投射到觀眾觀察的屏幕上（如圖3）。其中指揮交通的警察由形狀可逆LM-LCN（手）和形狀不可逆LM-SMP（身體）致動器制成，開始時警察和汽車陰影在水平狀態對屏幕均不可見，NIR光照射時，LM-SMP鉸鏈的光熱誘導不可逆變形導致屏幕上先后出現汽車和警察的影子。警察的一只手以LM-LCN執行器作為肘關節，可以通過循環NIR光照射表現出可逆的揮手手勢。第二個機器人皮影戲的靈感來自中國傳說中嫦娥奔月的傳說，展示了一只玉兔走向美人的場景。在NIR輻射下，美人腳上的LM-SMP鉸鏈的光熱誘導不可逆變形導致了她的出現。光驅動的玉兔走向美女是由LM-LCN執行器在循環近紅外輻射下在棘輪天梯上移位觸發的。最后一個皮影戲基于LM-LCN和LM-SMP軟致動器以及膠體LM涂層的導電性，展示了一個詩人仰望閃亮燈塔的場景。人影的出現同樣基于LM-SMP鉸鏈的近紅外輻射，燈塔頂部的紅色LED則基于NIR光驅動的導電LM-LCN薄膜的彎曲變形可逆地切換，使電路連通或斷開。

圖3 結合LM-LCN和LM-SMP的可編程軟機器人在NIR光下的皮影展示

總結

研究者基于LCN的可逆形狀變形特性和LM的優異導電性開發了一種可電熱和光熱驅動的形狀可編程的LM-LCN軟致動器。通過選擇性地將膠體LM墨水涂覆到具有展曲分子取向的LCN薄膜上，開發了具有多種形狀的NIR光驅動形狀可編程LM-LCN軟執行器。此外，研究人員還通過結合LM-LCN和LM-SMP，將可編程軟機器人應用于傳統的皮影藝術，展示了基于光驅動軟體致動器的警察指揮交通、嫦娥奔月和詩人仰望燈塔等皮影戲場景。這項工作展示了一種更為通用的策略，可以有效地整合LM的導電性和LCN或功能聚合物的形狀變形特性并保持其優異的內在特性，為開發具有仿生智能、集成多功能柔性電子設備、人機交互以及其他先進生物醫學技術的無繩軟機器人或機器提供新的動力。

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