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  光熱自激振蕩器（photothermal self-excited oscillator）因無線的供能與控制，在構(gòu)建自主軟體機器人中展示出巨大的前景。以往的研究主要通過提高光熱材料的性能以實現(xiàn)更高的輸出，而忽視熱量的耗散管理。事實上，散熱的效率會限制其輸出性能，特別是在水下環(huán)境。近期，加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏教授及博士后陳馳受海獺啟發(fā)，提出利用空氣水膜（air plastron）來大幅提高水下光熱驅(qū)動的輸出，同時利用氣泡的全反射效應(yīng)實現(xiàn)了新的自振蕩機制。

  該工作以“Air plastron–enabled heat management for enhanced photothermal actuation in underwater soft robots”為題發(fā)表《Science Advances》上（Sci. Adv.11,eadx7189），文章第一作者為施鵬舉博士和陳馳博士。

  具體而言，研究團隊受兩棲哺乳動物利用空氣水膜實現(xiàn)熱絕緣的自然現(xiàn)象啟發(fā)，在液晶彈性體（liquid crystal elastomer, LCE）驅(qū)動器表面引入了超疏水蠟燭煙灰（candle soot）涂層，從而穩(wěn)定捕獲一層空氣膜。這一空氣膜被證明顯著地提升了水下的熱絕緣性能，增強了內(nèi)部溫度梯度，計算得到的機械輸出功提高了282倍。

  更為重要的是，該研究揭示了一種此前未被報道的自振蕩機制：空氣水膜所引發(fā)的全內(nèi)反射效應(yīng)，使驅(qū)動器的運動方向得以與光照方向解耦。這意味著機器人不僅能在垂直光源下實現(xiàn)持續(xù)自驅(qū)動，還能在水平光源照射下靈活調(diào)整運動方向。憑借這一增強的輸出能力與機動性，研究團隊展示了多種基于自激振蕩的水下機器人，它們能夠在水下和水面上實現(xiàn)連續(xù)自主運動，為新一代高性能水環(huán)境軟體機器人提供了全新范式。

圖1空氣水膜增強的水下光熱驅(qū)動原理與設(shè)計。

圖2 空氣水膜在水下的熱管理效果及性能提升。

圖3 空氣水膜引發(fā)的自振蕩機制。

圖4水下驅(qū)動器的振蕩性能。

圖5 空氣水膜增強驅(qū)動器在多種水環(huán)境中的應(yīng)用展示。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx7189

研究團隊介紹：

  該工作是賀曦敏團隊近期關(guān)于軟體機器人工作的總結(jié)。在過去幾年中，團隊的研究包括Sci. Robot. 10, eads1292(2025); Nat. Mat. 24, 116-124(2025); Sci. Robot. 8, eadf4753(2023); Sci. Robot. 6, eabd5483(2021); Sci. Robot. 4, eaax7112(2019); Nat. Nanotech. 14, 11(2019)等。此外，該團隊在水凝膠高力學(xué)性能方面也有相關(guān)進展：“鹽析”效應(yīng)(Nature 590, 594 (2021); Adv. Mater. 2021, 33, 2007829; NPG Asia Materials, 14, 65 (2022); iScience, 24, 9, 102989, 2021), 和共溶劑效應(yīng)(Advanced Materials, 35(18), 2211673; Adv. Mater. 2021, 33, 2008235；Adv. Mater. 2021, 33, 2005906；EcoMat. 2021; 3:e12085)。

  下載：論文原文