科学家提出光驱动振荡器设计思路，可用于智能无人机器人系统

近年来，随着软体机器人技术发展，为了实现在陆、海、空领域高速运动，驱动装置需要更高的输出功率。尤其在微型飞行器中，为了克服自重并实现起飞，需要让驱动器输出功率密度达到一定阈值。

此外，软体机器人系统依赖复杂的控制和外接电源供能，对于实现无线自主运动方面提出了额外的挑战。

相较于传统的压电陶瓷与介电弹性体等材料，刺激响应聚合物可以对光做出响应，为新一代远程操控机器人提供了设计思路。

近年来，美国加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授课题组对光响应聚合物的自激振荡进行了深入研究，这种现象模拟了自然界的自我调节机制，通过材料与光的动态反馈实现无线自调控驱动，仅需远程能量输入，无需人工干预即可实现材料的动态往复运动。

图 | 贺曦敏（来源：贺曦敏）

然而，现有光致振荡驱动器的输出功率远低于昆虫飞行肌肉（>29W/kg）或其他驱动原理，主要痛点是实现振荡的条件通常要求材料柔软易响应，而这些材料难以实现高频运动。

为克服这一难点，研究团队提出了一种创新的光驱动振荡器设计思路，灵感源于昆虫飞行肌肉中的两组对抗肌肉结构：背纵肌和纵向肌交替收缩，以实现高效振翅。

（来源：Nature Materials）

团队设计的振荡器 FLaPTOR（Flapping LCE-and-PDMS Trilayer Oscillatory Robot）采用两层光响应液晶弹性体（LCE，Liquid Crystal Elastomer）和一层非活性弹性体组成的三明治结构。两片 LCE 膜在光照下产生对抗运动，实现周期振荡。相比传统单组份或双层设计，这种结构显著提升输出功率密度至 33W/kg，相当于昆虫飞行肌肉的功率输出。FLaPTOR 具备广光谱响应和多功能集成性，可实现高速运动，如基于扑翼模式的帆船行进和双向步行运动。

对于相关论文，审稿人表示尽管多年来已出现多种软聚合物驱动器，但在自持性、强效性和多功能性上仍无法媲美自然的骨骼肌肉，因此看到这一长期难题得到解决令人振奋。

课题组希望将现有成果应用于智能无人机器人系统，覆盖陆地、海洋和空中领域。传统无人系统依赖电机扭矩驱动轮子或螺旋桨，并搭载电池供能。而基于光致自激振荡的驱动系统具备利用远程能源或自然光持续供能的优势，减轻电池负担并且可以获得理论永久的续航时间。

同时，自激振荡赋予了机器人自我控制的能力，使其更加智能。对于鸟类和昆虫而言，扇动翅膀以产生升力是主要的飞行模式，这种仿生扇翅提供动力的模式也与软体驱动器的运动模式高度契合。

在本研究中，具备自激振荡模式的 FLaPTOR 系统实现了 33W/kg 的输出功率。若这种驱动模式的输出功率进一步提升，将有望实现仿鸟类和昆虫的扑翼飞行模式，达到起飞和悬停。同时，随着能量转化率的提升，研究团队也期待能够利用自然光直接驱动并控制机器人前进。

此外，FLaPTOR 具备高功率输出，结构简单且多功能集成性强。课题组展示了该系统的自感知驱动以及压电/热电纳米发电功能。未来，这种高效无人机器人有望进一步集成传感和储能功能。

事实上，在这篇论文发表之前，课题组在光响应刺激响应聚合物和光致自调控驱动领域已有多项相关研究，且这一方向的工作贯穿始终。正是在这些前期研究的支撑下，通过灵感的启发与缜密的研究，研究团队才能顺利完成并投稿发表。

过去几年中，课题组在光致自调控驱动原理进行了深入探索。例如，2019 年研究团队利用水凝胶实现了仿生向光性驱动 [1]，其中融合了光与材料的内在调节反馈机制。同年，课题组进一步将水凝胶光致自调控的“静态”向光性扩展为“动态”的自激振荡，通过调整材料的物化性质放大了自调节负反馈回路，并探讨了其在水下游泳机器人中的潜力 [2]。然而，研究团队也意识到，水凝胶的低力学模量限制了运动能力，而水下系统的高能耗进一步影响了能量转化效率。

在随后的研究中，课题组选择了液晶弹性体作为新材料，逐渐明确了研究的核心目标，即打造一种能在日光下实现高效振动输出的可持续自主调控机器人材料。研究团队优化了液晶弹性体的化学组分和驱动器结构，使得驱动器在低光源输入下也能产生有效的振荡并推动机器人运动 [3]。

基于此，课题组进一步构想是否能够通过这种自主调控的驱动模式产生足够高的动力，例如模仿昆虫翅膀的扇动飞行。借鉴昆虫体腔中对抗肌肉组织的结构，研究团队设计了交替收缩的双层肌肉结构，从而使驱动器获得更高的功率输出。

本次研究最终敲定的主题虽然是构建出输出功率最高的光致自激振荡器，然而研究并不同于创作，往往并不从一开始就有明确的目的导向。

当时，课题组正在研究一种双层结构：一层受光收缩，另一层保持不变，从而在光照下驱动器向收缩的一层弯曲；当弯曲到一定程度后，光被阻挡、材料冷却恢复，使其重新暴露在光照下再次收缩，从而实现自激振荡。

尽管这种结构实现了振荡效果，但给人的直观印象是一张纸片在随风飘荡，难以将其视为真正的软体机器人。

因此，研究团队自然的思考是否可以改进这种结构，既增强其坚固性，又提高振荡频率和幅度。由于原结构仅一侧受光弯曲，冷却只能依赖材料被动散热，效率偏低。课题组想到可以在不形变的一侧增加再一个收缩层，从而使光照两侧都能实现收缩，中间一层则隔绝两边的“肌肉”。这一结构的制备结果与研究团队的预期一致，给了课题组很大的信心。

随后，研究团队对驱动器进行了多次优化，将其输出功率从 3.6W/kg 提高到 33W/kg。与此同时，课题组对这一结构进行了严谨的实验验证，并建立了多物理场仿真模型。在整个研究过程中，研究团队不断重复验证，证明高输出功率并非偶然现象，并从多个研究角度对这一现象进行科学解释，最终呈现出现在读者面前的完整故事。

这项研究从发现现象、收集数据、撰稿、提交到最终发表，前后花了将近三年的时间，期间经历了许多挑战。若要记录最难忘的经历，便是对这一结构的反复诠释。

虽然电脑里存储了数百个样品在光照下激情摆动的视频，课题组始终无法回避、也不断自问的问题是——为什么构建三层结构就能实现如此高的输出功率？为什么单组分材料无法达到这样的效果？外行人可能会觉得这只是一个经典的三明治结构，但为何他人未曾想到并实现这一效果？

这些问题本质上是跳出了科研日常细碎的样品制备、表征与分析，而是在更高视角下审视挖掘课题本身的创新性。这些问题在团队每个人的脑海中反复萦绕。每次小组讨论参加的人与讲的话题或许各不相同，但最终总会回归到这些问题上来。

回想起来正是这些灵魂拷问，让研究团队逐渐从最初的“困惑”中一步步接近答案。课题组进行了非常严谨详实的实验探索，深入研究了结构的弹性模量、振动阻尼、热传导特性，材料在光照下的收缩做功能力，几何因素与材料设计对输出功率的影响等等，试图从这些数据中找寻高功率的秘密。

研究团队也做了经验性质的功率和物理参数的拟合，借此发现高模量与高收缩率在实现高功率输出中扮演主要角色。同时，课题组还搭建了多物理模拟模型，将材料的物理化学性质表征数据输入模型，进行仿真分析。

值得一提的是，最初的模拟结果就已显示出两种结构在现象上的显著差异。然而，研究团队并不认为模拟是为了服务实验现象，即止步让两者数据接近。相反，课题组认为模拟和实验应相互比较、多次优化，以达到相互指导的效果。

研究团队多次调整边界条件，虽然这个过程痛苦而漫长，但最终实现了令人满意的模型，甚至能够完成对一些实验难以控制的物理量的预期。

日前，相关论文以《对抗性收缩的高功率光振荡器用于多功能驱动》（Antagonistic-contracting high-power photo-oscillators for multifunctional actuations）为题发在Nature Materials[4]，Yusen Zhao 是第一作者，贺曦敏担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

总的来说，本次课题组开发了一种在恒定光照下驱动的高功率输出自激振荡器。这种具有对抗肌肉设计的高性能驱动器在无线自主机器人领域中具有巨大潜力。

后续工作包括基于这种振荡装置的结构设计、材料创新、机械制造、驱动和控制的一系列整合。从振荡器性能角度出发，研究人员将着重提升光热能量转化效率，并提升驱动器效率以在维持振荡功率密度的同时减少光能输入。

课题组同时也在探索其他的光驱动模式，例如多模态驱动和协同振荡，有望突破方向控制和单翼振荡驱动的限制，为未来应用提供更多可能性。更重要的是，利用光驱动的自主振荡实现未来的飞行，更具有深远影响。而实现这一目标需要一系列复杂研究，包括更强健的智能材料、更高功率的振荡器、高效的空气动力学设计，以及多翼同步悬停的系统设计等等。

参考资料：

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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