【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系劉言軍教授團(tuán)隊(duì)提出一種等離激元超表面一體化液晶彈性體光驅(qū)動(dòng)新架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)可編程光控2D/3D仿生形變，為軟體機(jī)器人、生物醫(yī)療器械、自適應(yīng)光學(xué)器件等開辟全新技術(shù)路線。相關(guān)研究成果以“Metasurface-Enabled Light-Driven Liquid Crystal Elastomer Actuators”為題，發(fā)表于Advanced Materials。
 

　　液晶彈性體(LCE)是極具發(fā)展前景的柔性仿生材料，適配軟體機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、微型醫(yī)療器械、可形變光學(xué)元件等諸多應(yīng)用場(chǎng)景，光驅(qū)動(dòng)模式還能實(shí)現(xiàn)非接觸式遠(yuǎn)程無線操控。但傳統(tǒng)體相摻雜型光熱LCE存在顯著短板：難以實(shí)現(xiàn)小范圍精準(zhǔn)局部形變；生物適配近紅外波段缺乏高效穩(wěn)定的光熱材料；光熱吸收與力學(xué)形變相耦合無法獨(dú)立優(yōu)化。此外，薄膜內(nèi)部致動(dòng)核心即跨厚度熱梯度缺少直接定量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段，制約器件性能提升與內(nèi)在機(jī)理研究。
 

　　針對(duì)上述難題，研究團(tuán)隊(duì)跳出傳統(tǒng)體相摻雜思路，構(gòu)建表面圖形化等離激元超表面復(fù)合LCE全新架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化與形變響應(yīng)功能解耦。研究采用納米球光刻工藝，在彈性體表面制備周期性三角金納米陣列，依托近紅外表面等離激元共振定點(diǎn)產(chǎn)熱，薄膜預(yù)編碼液晶分子取向則決定形變形態(tài)。超薄稀疏金納米結(jié)構(gòu)不會(huì)損害基底柔性，且樣品彎曲方向不受光源入射方向影響，材料整體響應(yīng)靈敏，多次循環(huán)驅(qū)動(dòng)后仍保持穩(wěn)定性能。
 

　　為探明超表面高效光熱轉(zhuǎn)化機(jī)制，團(tuán)隊(duì)從微觀形貌、光學(xué)特性、熱動(dòng)力學(xué)多維度對(duì)金納米結(jié)構(gòu)陣列開展系統(tǒng)表征。納米球光刻技術(shù)可大面積制備排布規(guī)整的金納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可選擇性吸收目標(biāo)近紅外光，納米結(jié)構(gòu)邊角形成局域光場(chǎng)增強(qiáng)熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換。結(jié)合光譜測(cè)試、電磁場(chǎng)仿真與熱學(xué)分析，完整還原納米尺度產(chǎn)熱過程，充分驗(yàn)證體系優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化性能。
 

　　針對(duì)薄膜內(nèi)熱梯度難以直接觀測(cè)的難題，團(tuán)隊(duì)搭建雙激光協(xié)同熒光熱成像表征平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)跨膜測(cè)溫。研究人員在LCE基質(zhì)中摻入溫敏熒光材料，依靠熒光強(qiáng)度隨溫度的變化精準(zhǔn)解析薄膜內(nèi)部實(shí)時(shí)溫度分布。這套系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)捕捉熱量從表層向膜內(nèi)擴(kuò)散的全過程，截面溫度分布直接證實(shí)縱向溫差是薄膜彎折的重要誘因，從實(shí)驗(yàn)層面建立熱梯度傳遞的物理模型。
 

　　依托超表面圖形化加熱與液晶光取向編碼雙重調(diào)控，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)從局部二維彎折到復(fù)雜三維仿生重構(gòu)的全維度可編程形變。在薄膜不同區(qū)域定義超表面圖案，均勻光照下可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)彎曲、雙向折疊；復(fù)刻生物關(guān)節(jié)鉸鏈結(jié)構(gòu)，模擬甲蟲抬腿、蝴蝶振翅等仿生動(dòng)作，器件在水下環(huán)境仍可穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。結(jié)合空間偏振光預(yù)編碼分子取向，實(shí)現(xiàn)可折疊箱體、可逆開合仿生花朵等三維動(dòng)態(tài)重構(gòu)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步完成像素化微驅(qū)動(dòng)陣列概念驗(yàn)證，為全光控微光機(jī)系統(tǒng)奠定原型基礎(chǔ)。
 

　　本研究構(gòu)建了光熱轉(zhuǎn)化與力學(xué)形變相互獨(dú)立的全新液晶彈性體驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，依托自主開發(fā)的熒光熱成像表征方法完整闡明熱傳遞驅(qū)動(dòng)機(jī)制。器件兼具高光熱轉(zhuǎn)化效率、高精度局部驅(qū)動(dòng)及穩(wěn)定的形變響應(yīng)，能夠適配空氣及水下兩類工作場(chǎng)景，加工工藝支持大面積制備。研究打通了納米光子學(xué)與柔性高分子材料的交叉應(yīng)用思路，為水下軟體機(jī)器人、生物醫(yī)療、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域提供全新的無線全光操控方案。
 

　　南方科技大學(xué)與香港科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士畢業(yè)生成茗為論文第一作者，劉言軍教授、香港科技大學(xué) Abhishek Kumar Srivastava教授為共同通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。本研究聯(lián)合英國(guó)利茲大學(xué)、寧波工程學(xué)院等單位協(xié)同完成，得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。
 

　　引用：南科大劉言軍團(tuán)隊(duì)提出超表面-液晶彈性體全光可編程仿生軟體驅(qū)動(dòng)新架構(gòu) - 南方科技大學(xué)【引用時(shí)間：2026年8月21日】