智能光響應性人工「捕蠅草」

最新 06-14

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大自然中複雜、精巧的智能生物系統一直是人類科技創新的靈感源泉。眾多科學家在仿生學科的不同領域取得了諸多的顯著成績和突破。但是，目前模仿智能生物，設計、構建能夠進行自我調節、目標自主識別的微型人工智慧系統仍然是仿生微機器人技術領域的一大挑戰。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於外部入射光源進行器件的致動等操作，使其應用範圍有一定局限性。

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性液晶彈性體（liquid-crystal elastomer，LCE）與光學纖維相結合，設計、構築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，並可自動捕獲與釋放目標。

天然捕蠅草的機械刺激響應性。圖片來源：Nat. Commun.

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人工「捕蠅草」的光刺激響應性。圖片來源：Nat. Commun.

研究團隊基於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，從而製備具有較強光響應性的LCE樣條作為光致動夾具。與之相連的光纖傳輸入射光線，光致動夾具能夠基於光強變化實現「開/關」的可逆智能調控。

光致動夾具的製備流程及工作原理圖。圖片來源：Nat. Commun.

當有目標物體處於人工「捕蠅草」的夾具上方時，器件自身光纖傳輸的光線照射到目標物體後產生光線反射；反射光則激發光響應LCE產生致動彎曲，從而抓取目標物體。而當光纖光源關閉後，LCE又恢復其初始的伸展狀態，實現目標物體的釋放。該光致動器件的巧妙結構設計，實現了軟體器件的自動感知和抓取/釋放「人造昆蟲」，並克服了對輔助外部入射光源的依賴。

人工「捕蠅草」的光響應致動示意圖。圖片來源：Nat. Commun.

該光致動裝置能夠高效可逆抓取/釋放質量為其自重幾百倍的任何形狀的微小物體。而且光致動夾具產生的致動力大小和光響應速率能夠通過光強進行精確調控。

人工「捕蠅草」光響應性調控及應用。圖片來源：Nat. Commun.

——總結——

模仿自然界的有機體進行功能性微型機器人系統設計、構築是當前的研究前沿熱點之一。但是，實現仿生機器人多種環境體系下寬領域智能化應用仍是一項巨大的挑戰。該論文中，研究團隊通過將含偶氮光響應性LCE與光纖相結合，克服了對外部光源的依賴。基於器件結構的巧妙設計，實現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」智能光碟機動裝置設計，將為其他智能微機器人的設計、開發奠定基礎和提供指導。

A light-driven artificial flytrap

Nat. Commun.,2017,8, 15546, DOI: 10.1038/ncomms15546

（本文由甲子湖供稿）

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