中国学者领衔！液晶弹性体，最新Nature Materials！

鉴于此，芬兰坦佩雷大学曾浩副教授报告了一种以光为动力、能自我维持失衡运动的软液晶弹性体环。在恒定的光激励下，环形物会因零弹性能量模式（ZEEM）的形成而发生自发旋转。通过利用动态摩擦或阻力，基于零弹性能量模式的运动方向可以在各种干燥和流体环境中进行光学控制。作者展示了液晶弹性体环在斯托克斯状态下横向和纵向游动的能力。环体导航可扩展到三维空间，游动方向完全可控。这些结果表明了预约束拓扑结构在实现非平衡软物质机器人功能方面的可能性。相关研究成果以题为“Light-steerable locomotion using zero-elastic-energy modes”发表在最新一期《Nature Materials》上。

【ZEEM系统设计】

ZEEM是一种机械结构，设计时在旋转变形时具有最小或零势能。在这项研究中，ZEEM在由热响应和光响应LCE光纤组成的环形结构中实现。关键是利用这些纤维在恒定光或热刺激下的动态变形能力。图1a说明了环面在光激发下的旋转运动。显示了纤维半径(r)和环面半径(R)，其中关键参数是细长度(ε=r/R)。根据热膨胀系数(α)是正值还是负值，环面在受到刺激时会表现出倒置或外翻。图1a中的图表显示了环面如何反转，由角频率(ω)表示，角频率(ω)驱动其单向运动。图1b描述了用于制造LCE纤维的分子成分。这些纤维是通过光热过程制备的，其中丙烯酸酯基团和胺发生氮杂迈克尔加成反应，然后进行光聚合。图1c比较了具有正热膨胀系数和负热膨胀系数的LCE纤维的热致变形。加热和冷却过程中的尺寸变化以图形方式呈现。图1d和1e分别展示了陆地（干燥）环境和流体环境中基于ZEEM的运动示意图。这些图展示了当环面受到倾斜照明时摩擦引起的运动背后的原理。总的来说，ZEEM环形结构最大限度地减少弹性能，使其能够在持续的外部刺激下经历连续变形。系统的旋转方向取决于热膨胀系数，允许基于材料设计的可编程运动。

图 1. 光控 ZEEM 环面的系统概念

【主动环形结构中ZEEM的机理研究】

作者接着深入研究主动环形结构中驱动ZEEM的机制。主要探讨了由热梯度引起的动态应变场，它激活扭矩和旋转运动。环面中产生的驱动扭矩(Md)的示意图如图2a所示，该驱动扭矩由材料固有的静态应变场(ε_static)和热激活过程中生成的动态应变场(ε_dyn)之间的相互作用驱动。自持旋转的关键标准是当驱动扭矩（Md）超过损失（Ml）时，导致自发自转。ZEEM环面在热板上旋转的实验照片（图2b），证实了理论发现。图2c和2d所示的温度变化和累积旋转角度为所描述的现象提供了定量支持。这些图强调了温度波动的周期性，这种波动是由于交替暴露于光（加热）和阴影（冷却）而产生的，从而产生维持旋转的锯齿形温度振荡。最后，作者分析了纤维半径(r)和角频率(ω)之间的关系（图2f和2g），表明较细的纤维在较高的光强度下启动旋转，但一旦激活，旋转得更快。

图 2. 活动环面中 ZEEM 形成的机制

【ZEEM 支持多领域运动】

该研究最重要的成就之一是展示基于ZEEM的系统如何在不同的环境中运行，例如干燥表面、螺纹和流体介质。通过操纵摩擦力和阻力，研究人员能够利用光有效地引导运动。图 3a-d显示了 ZEEM 环形运动在陆地表面和悬挂在螺纹上的快照和轨迹。摩擦力的不对称性与照明侧的材料软化相结合，根据 α 的符号引导圆环远离或朝向光源的运动。在流体环境中，特别是在甘油中，由于光热加热过程中形成粘合气泡， LCE 环面表现出更复杂的行为。图3e-h展示了环面利用光热诱导的粘附和摩擦来导航和攀爬锥形移液器的能力。本节插图中的详细力分析（例如，图3b和3d）解释了摩擦阻力（f1和f2）等力之间的平衡以及它们如何在各种地形和介质中引导环面。以上结果说明：ZEEM环形线圈在不同环境中的适应性源于它们通过光诱导软化来调节摩擦力的能力。控制环面在陆地和流体领域运动的能力使其成为多领域机器人应用的有希望的候选者。

【斯托克斯流态下的光控游泳】

由于低雷诺数(Re≪1)下粘性力占主导地位，斯托克斯状态代表了一个具有挑战性的运动环境。然而，ZEEM环面在这些条件下展示了有效的光操纵游泳。图4捕获了ZEEM驱动的在高粘度PDMS介质中游动的实验结果，其中Re≈0.0001。图4a-d显示了由光方向驱动的向上、向下、向左和向右方向游动的环面的快照。作者还进一步量化了不同方向的累积距离和游泳速度（图4e-g），表明由于对流效应，向上游泳（由热对流辅助）优于向下运动。插图中的力分析（例如图4h）为这种方向控制提供了理论解释，说明了不均匀的粘性阻力对环面不同部分的影响。作者还通过动态光转向探索了3D 游泳，如图 4k 和4l所示。该系统展示了通过控制方位角(Φ)和极角(γ)连续调整游泳方向的能力，从而实现精确的3D导航。上述实验结果证明：环形形状与ZEEM相结合，能够在高粘性环境中实现有效推进，通过避免可逆冲程来满足扇贝定理。低Re环境中的光操纵游泳为自主微型游泳者和受控流体运输开辟了新途径。

图 4. 斯托克斯状态下的光操纵游泳

【总结】

作者成功地引入了一种光燃料、毫米级的ZEEM环面，能够在光或热刺激的驱动下，通过连续的反转和外翻循环进行自我维持运动。控制环面在陆地、受限和流体环境中运动的能力，与动态光转向相结合，展示了其在不受束缚的软机器人领域的潜力。此外，该系统在斯托克斯状态下的性能尤其代表了一项重大成就，展示了其在低辐射环境中导航和多向游泳能力的能力。这项工作强调了基于ZEEM的系统的更广泛适用性，超越了环形几何形状，扩展到莫比乌斯带和超线圈等其他拓扑结构，为未来的软机器人和仿生材料设计提供了令人兴奋的前景。