【材料】偏振光驱动的多向可控软体机器人

光驱动机器人依靠吸光材料的光热效果将光能转变为机械变形和运动。与其他驱动方式相比，光作为清洁安全的能源具有精确，远程和快速等优点。近日，加州大学河滨分校的殷亚东教授团队利用Fe3O4/Ag复合纳米棒，制备了一种偏振光驱动的多向可控软体机器人。

       典型的光热驱动器包括三个部分：用于光热转换的吸光材料、响应层以及被动层。这种简单的材料设计可以实现基本的光致机械变形，包括弯曲、扭曲和旋转。更重要挑战是将这些机械形变转化为受控的多模式运动以实现特定的功能。双层光驱动致动器可以在锯齿状表面上向某一个方向上爬行，这种策略是一种有效实现定向运动的方法。生物启发的软体机器人通常具有不对称的形状以模仿特定自然生物的运动。这些策略具有易于制造、操作简单且光源要求低等优势。但它们只能单向运动，这也限制了他们的进一步发展。扩展运动自由度可以通过精确控制照射位置或光的扫描方向来实现。一些更先进的设计使用波长依赖的光热转换和选择性地驱动特定的结构以便进行可逆的多向移动。例如，含有不同吸光染料的驱动器可以在不同波长下工作以实现前进、后退和转向。这些方法需要复杂的调制机制来引起不对称形状变形和光源的定向移动来实现转向。然而，复杂制造工艺、严苛的驱动方式、有限的材料选择限制了它们的实际应用。

       最近，该团队报告一种单光源驱动的多方向软体机器人。这种软体机器人可以简单地通过控制单个激光束的偏振方向来行走和转向。为了实现这个目标，该团队开发了一种非常规的模板法用于直接合成复合Fe3O4/Ag纳米棒（Nat. Commun., 2020, 11, 2883）。该方法制备的复合纳米棒是由并行排列的Fe3O4磁性纳米棒和Ag纳米棒组成。这种独特的结构赋予纳米棒耦合的磁-等离激元各向异性。通过简单的外加磁场，该团队实现了纳米棒物理性能的精确可逆调控，包括等离激元和光热转换。为了制备光驱动软体机器人，该团队将复合纳米棒固定到水凝胶里面。在聚合的同时，外加磁场可以精确控制纳米棒在机器人不同区域里的取向。所以，通过改变光源的偏振方向，该团队实现了对机器人特定区域的选择性驱动。为了进一步验证该设计的可行性，Fe3O4/Ag复合纳米棒以垂直和水平取向被固定到了双足机器人的两条腿中。改变驱动激光的偏振方向可以有选择地激活两条腿的弯曲和机器人的直立行走。比如，交变的偏振光可以交替的驱动两条腿从而实现机器人平稳的行走。如果使用单一偏振的光源，可以实现单条腿的持续驱动和机器人的连续转向。通过组合激发光源的偏振方向，机器人可以沿着任何预先设计的路径行走。

图1. Fe3O4/Ag复合纳米棒用于制备偏振光驱动的多向可控软体机器人。图片来源：Adv. Mater.

磁性/等离激元复合纳米棒独特的性能使得设计双足机器人成为可能。这种材料设计有望克服现有光驱动器的限制，例如复杂的制作和驱动工艺、苛刻的光源要求和有限的驱动模式。因此，这种机器人有望在物体运输、环境污染处理、能量收集等领域有广泛的用途。磁性调控等离激元的选择性激发还可用于创建更多的功能材料和先进设备。它们不仅在下一代自持式执行器和不受束缚的机器人有无限的可能，还可以用于制造高性能的比色传感器、智能生物成像的造影剂、多色显示器等。

图2. 软体机器人的直立行走和转向：（a）软体机器人行走原理图。（b）机器人在交变偏振光驱动下的直立行走。（c）机器人在某种特定偏振光驱动下的转向。图片来源：Adv. Mater.

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是加州大学河滨分校李志伟博士 (?Zhiwei Li? ???????????)。

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Polarization‐Modulated Multidirectional Photothermal Actuators Zhiwei Li, Zuyang Ye, Lili Han, Qingsong Fan, Chaolumen Wu, Deng Ding, Huolin L. Xin, Nosang Vincent Myung, Yadong Yin Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202006367