苏大董彬教授/北化石峰教授等《自然·通讯》：光驱动“直升机”

还以为光驱动致动器只能在地面上行动吗？No！《Nature Communications》最新报道了一种高性能光驱动“直升机”，转速可达到7200 rpm，响应速度可达650 ms，并且具有可控的飞行方向。

受到无脊椎动物以及植物的启发，科学家们已经开发出了各式各样柔软、灵巧，并且可以应用于软体机器人等领域的光驱动软体致动器。一直以来，人们致力于发展能够像人造飞行器那样主动飞行的高性能光驱动软体致动器。然而，这要求软体致动器具有快速、高频响应的能力，而由于受到软材料及结构的限制，极难实现。

近日，苏州大学董彬教授团队联合北京化工大学石峰教授、德国马普智能所Metin Sitti教授发展出了基于琼脂/丝素蛋白/石墨烯高分子复合材料的光驱动“直升机”。其在光照的条件下，展现出和直升机这类旋翼飞行器类似的主动飞行行为。这种特殊的运动行为主要是由组成光驱动“直升机”的多元组分对光响应性的协同与竞争关系所导致的材料可控形变、喷气推进、空气动力学飞行来实现的。这一研究工作为下一代具有自主飞行能力并可执行特定任务的软体机器人的设计、合成以及应用奠定了基础。

图1.光驱动“直升机”（a-d）攻角以及（e-h）仰角的调节。

这种光驱动“直升机”的成功构筑依赖于高分子复合材料及其理性设计。在材料组分设计方面：高分子复合材料薄膜由三元组分组成，分别为吸湿性琼脂、强韧性丝素蛋白以及层状石墨烯薄片；在空气动力学结构设计方面：材料按照五比一的长宽比来进行设计。通过控制光照位点，并结合材料表面的周期性结构，基于光热效应以及材料内应力实现可编程形变，形成攻角可调、仰角可控的类“螺旋桨”结构（图1）。

图2.光驱动“直升机”的驱动机理。

在光的照射下，光热效应会导致光照位点材料内部水的汽化，从而形成内部为空腔的凸起，并在表面周期性结构的调节下，形成“螺旋桨”结构。当凸起扩展到薄膜边缘的时候，会形成水蒸气的喷流，提供推力，使薄膜高速旋转，并产生升力（图2），从而使“直升机”起飞，并实现“爬升-平飞-降落“的三段式飞行行为。

图3.光驱动“直升机”的空气动力学理论模拟。

空气动力学模拟显示，高速旋转的类“螺旋桨”结构，能够在旋转平面的上方产生明显的低压区域，“螺旋桨”旋转平面上方与下方的压力差（图3），足以提供克服其自身重力的升力，从而实现类“直升机”的飞行行为。通过理论模拟计算的升力数值与通过实验数据计算得到的升力吻合。

图4.光驱动“直升机”飞跃（a-d）沟槽或（e-h）障碍物。

同直升机这类旋翼飞行器类似，光驱动“直升机”的飞行行为会受到其“螺旋桨”攻角以及仰角的显著影响。其中，攻角可以调节光驱动“直升机”的飞行高度以及飞行距离；而仰角不仅可以调节光驱动“直升机”的飞行高度及距离，还可以控制其飞行方向。这就使得光驱动“直升机”可以可控的跨越沟槽等障碍物（图4）。

图5.基于光驱动“直升机”的大范围分布式传感。

在自然界中，很多植物都通过风力来传播它们的种子的。种子特殊的三维结构使其能够传播到相当远的距离。由于光驱动“直升机”的结构与自然界中的翅果极其类似，该论文作者还研究了光驱动“直升机”的风力传播行为。研究发现光驱动“直升机”不仅具有和翅果类似的下落行为，而且还能够在飞行的过程当中保持飞行姿态的稳定。这不仅可以使其被风力传播到更远的距离，而且还可以使其上负载的传感器始终保持正面朝上的状态。因此，这种光驱动“直升机”可以用做大范围分布式环境传感器，即通过一次释放大量光驱动“直升机”，利用一次成像技术来获得多个地点的传感数据（图5）。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40827-4

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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