科学家模仿树叶的叶脉结构，设计出会复杂变形的“机器狗”

大自然中，植物的叶子能在风中轻盈摇曳却不会折断，这是为什么呢？这要归功于叶子内部的“骨架”——叶脉。

中国科学院合肥物质科学研究院的科学家们从叶脉中获得了灵感，研发出了一种新型的液态金属光热制动器，让机器人既具有足够的强度，又能像叶子一样轻盈！

让我们一起来看看这项有趣的发明吧！

神奇的光热制动器：

用光来控制物体运动

光热致动器是一种能将光能转化为机械能的装置。材料具有热胀冷缩特性，将热膨胀系数不同的两层或多层薄膜复合，温度升高后不对称膨胀导致复合薄膜弯曲。在复合薄膜中引入可将光能转化为热能的光热材料，就可以利用光来控制薄膜的变形。以这种光驱动薄膜作为“发动机”即可设计出形形色色的机器人或仿生系统。当用光照射它，它就能根据预设结构弯曲、伸缩甚至跳跃。

以光为动力的光热驱动夹持器示意图：模拟太阳光照射到螺旋机器臂上，温度升高，机械臂转动、螺距增大；光撤离后，温度恢复，机械臂恢复原状；红外激光照射到夹持器上，夹持器张开；激光关闭，夹持器关闭。图片来源：参考文献[1]

这种技术在软体机器人、智能传感器等领域有着广泛的应用前景。比如，作为软机器人的身体或者肢体控制软机器人的动作，作为智能传感器的光响应基体等等。因此，光热致动器需要具有一定的强度才能再负载传感器等部件，同时还要保证在光刺激下及时响应。

但这些需求却是天然“矛盾”的——如果想要它反应快、变形大，就得做得轻薄；但如果想要它承重能力强，就得做得厚重。这就好比鱼和熊掌不可兼得，科学家们一直在寻找一种既能快速响应又能承重的材料。

来自科幻的灵感：液态金属

科幻电影《终结者》中，有液态金属机器人。现实中，液态金属是一种在室温下呈液态的金属，比如镓基合金。它既柔软又导电，还能吸收光能并将其转化为热能。

中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所的田兴友研究员和张献研究员团队将液态金属微球加入到聚合物材料中，发现它不仅能赋予材料光热特性，还不会让材料变硬。这样一来，材料既保持了柔软性，又能快速响应光的照射。

不过，仅仅加入液态金属还不够，科学家们还需要一种更巧妙的设计来提升它的性能。

向大自然学习：

叶脉与叶肉的完美搭配

植物的叶子之所以能轻盈又坚韧，是因为它的内部结构非常精巧：硬质的叶脉像骨架一样支撑叶片，而柔软的叶肉则降低叶片弯曲阻力。科学家们从中得到启发，决定模仿叶脉的结构来设计光热致动器。

他们用激光在液态金属/聚酰亚胺薄膜上刻蚀出沟槽，减薄薄膜以降低变形阻力；沟槽之间未刻蚀的薄膜较厚，类似叶脉。然后用一种柔软的材料（PDMS）进行封装。这种设计就像给致动器装上了“骨架”，既提高了其承载能力到自身重量的 190 倍，相当于一张 A4 纸可以承载两瓶水，又保持了快速响应的特性（60.96 ± 3.08°/s）。

叶脉启发液态金属光热致动器。图片来源：参考文献[2]

会爬、会跳、会游泳的“光驱机器狗”

基于这种仿生设计，研究团队成功制造出了一种新型光热致动器。它不仅反应速度快，还能实现复杂的变形。利用这种技术，科学家们设计出了一只“光驱机器狗”，它可以在光的控制下完成爬行、跳跃、游泳甚至站立等动作！

“光驱机器狗”的形态

“光驱机器狗”爬行、跳跃、站立。图片来源：参考文献[2]

此外，团队还开发了一种高速振荡器，这种设备可以快速振动，未来可能将可用于微型机器人或精密仪器中。这些有趣的发明展示了液态金属光热致动器的巨大潜力。

高速振荡器。图片来源：参考文献[2]

这项研究的突破在于，它首次将仿生超结构引入液态金属光热致动器中，为未来的设计和制造提供了新思路。这些研究成果均已发表在材料学期刊《Advanced Materials》上。

展望未来，它还有更多应用

未来，这种技术可能会应用于更多领域，比如：软体机器人制造出更灵活、更智能的机器人，用于救援、医疗等领域；智能传感器开发出能根据环境光自动调节的设备；仿生设备设计出像自然界生物一样运动的机械装置等等。

从叶脉到超结构沟槽，从植物到机器人，这项研究让我们看到了科技与自然的奇妙结合。随着这项技术的进一步发展，未来或许我们会看到更多像叶子一样轻盈、像动物一样灵活的机器人出现在我们的生活中。

参考文献

[1] Li X, Du Y, Xiao C, et al. Tendril‐Inspired Programmable Liquid Metal Photothermal Actuators for Soft Robots [J]. Advanced Functional Materials, 2023, 34(4): 2310380.

[2] Li X, Du Y, Pan X, et al. Leaf Vein‐Inspired Programmable Superstructure Liquid Metal Photothermal Actuator for Soft Robots [J]. Advanced Materials, 2025: 2416991.

策划制作

出品丨科普中国

作者丨李宵飞 中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林