【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)仵雅禾、張加濤教授課題組在透明光驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過二維原子級(jí)厚度硫化銅納米片的界面調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了可見光透明性與近紅外(NIR)光熱響應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化，構(gòu)建出兼具透明本體和肉眼不可見光驅(qū)動(dòng)信號(hào)的“雙隱形”軟體機(jī)器人，并展示了可編程形變、陸地爬行和水面運(yùn)動(dòng)等功能。相關(guān)成果以“Transparency-Photothermal Efficiency Coordinated Dual-Invisible Soft Robots”為題發(fā)表于Advanced Materials(2026; 38, e74147)?；瘜W(xué)與化工學(xué)院仵雅禾助理教授、張加濤教授為共同通訊作者，蘇夢(mèng)瑤博士為第一作者。
 

　　軟體機(jī)器人是一類由柔性材料構(gòu)成、能夠通過連續(xù)形變實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與操作的新型機(jī)器人，在仿生系統(tǒng)、環(huán)境探索和人機(jī)交互等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。其中，光驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人能夠利用遠(yuǎn)程光照實(shí)現(xiàn)非接觸、局域化和精確控制，受到研究人員的廣泛關(guān)注。NIR光位于人眼可見光譜之外，為構(gòu)建驅(qū)動(dòng)信號(hào)不可見的機(jī)器人提供了獨(dú)特條件。
 

　　自然界中的玻璃翼蝶等生物依靠透明組織融入周圍環(huán)境，為軟體機(jī)器人的視覺偽裝提供了靈感。然而，現(xiàn)有光熱驅(qū)動(dòng)體系通常需要深色吸光材料或較高的填料含量，以產(chǎn)生足夠的熱量和驅(qū)動(dòng)力。這又會(huì)增強(qiáng)可見光吸收與散射，使材料失去透明性。如何在保持高透明度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換，是透明軟體機(jī)器人發(fā)展面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題。進(jìn)一步地，如何將材料的光熱響應(yīng)轉(zhuǎn)化為快速、可逆、可編程的形變，并實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下的可控運(yùn)動(dòng)，也是該領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。
 

　　針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)從納米材料界面、復(fù)合薄膜和機(jī)器人結(jié)構(gòu)三個(gè)層次展開研究，建立了兼顧透明性、光熱效率與運(yùn)動(dòng)功能的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)策略。
 

　　研究亮點(diǎn)1：界面調(diào)控實(shí)現(xiàn)高透明性與高光熱效率協(xié)同
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過膠體注入法制備了二維原子級(jí)薄硫化銅納米片(AT–CuS)，其橫向尺寸約為87 nm，厚度僅為1.75 nm，接近單個(gè)晶胞的厚度。針對(duì)超薄納米片容易堆疊和團(tuán)聚的問題，團(tuán)隊(duì)引入巰基封端聚乙二醇配體，通過長(zhǎng)鏈分子的空間位阻調(diào)節(jié)納米片的界面組裝行為，促進(jìn)其平面鋪展與穩(wěn)定單層分散，減少堆疊帶來的性能損失。
 

　　光譜測(cè)試表明，該材料在NIR-II具有較強(qiáng)吸收，而在可見光區(qū)吸收相對(duì)較弱，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到96.3%。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合密度泛函理論計(jì)算與飛秒瞬態(tài)吸收光譜，揭示了其高效光熱轉(zhuǎn)換的物理機(jī)制：CuS納米片的準(zhǔn)金屬性窄帶隙電子結(jié)構(gòu)與局域表面等離激元共振有利于NIR光吸收，強(qiáng)載流子—聲子耦合則促進(jìn)光激發(fā)能量快速傳遞至晶格并轉(zhuǎn)化為熱量。
 

　　在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)將納米片引入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基體，構(gòu)建透明柔性光熱薄膜。在低至0.01wt%的填料含量下，復(fù)合材料仍保持超過80%的可見光透過率，并在論文測(cè)試條件下實(shí)現(xiàn)2秒內(nèi)升溫至130℃以上的快速NIR響應(yīng)。薄膜還表現(xiàn)出良好的力學(xué)與光熱穩(wěn)定性，其中0.02wt%樣品在400%拉伸應(yīng)變下仍能保持顯著光熱響應(yīng)。
 

　　這一結(jié)果表明，通過調(diào)控納米片的光譜響應(yīng)和分散結(jié)構(gòu)，可以在極低填料含量下兼顧透明性與高效光熱響應(yīng)，為透明智能驅(qū)動(dòng)材料提供新的設(shè)計(jì)思路。
 

　　研究亮點(diǎn)2：雙層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速、可逆的透明光驅(qū)動(dòng)
 

　　為將光熱轉(zhuǎn)換進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)將AT–CuS–PDMS薄膜與聚酰亞胺(PI)薄膜復(fù)合，構(gòu)建雙層柔性驅(qū)動(dòng)器。NIR照射下，CuS納米片迅速將光能轉(zhuǎn)化為熱能，兩層材料因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生不匹配應(yīng)變，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)薄膜彎曲；撤去光照后，驅(qū)動(dòng)器通過彈性恢復(fù)回到初始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)動(dòng)。
 

　　研究發(fā)現(xiàn)，在0.5 W cm-2的激光功率密度下，填料含量?jī)H為0.02wt%的驅(qū)動(dòng)器即可在不足4秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過100°的大幅彎曲，同時(shí)保持超過80%的可見光透過率。提高光照功率密度后，其彎曲速率可達(dá)到50.8 °s-1。通過優(yōu)化主動(dòng)層與被動(dòng)層的厚度比例，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提高了熱應(yīng)變向機(jī)械形變的轉(zhuǎn)化效果；在600次連續(xù)光照開關(guān)循環(huán)后，驅(qū)動(dòng)器的彎曲角度幾乎沒有衰減，顯示出良好的重復(fù)性與穩(wěn)定性。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過圖案裁剪、局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光照位置調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了二維平面向三維結(jié)構(gòu)的可編程轉(zhuǎn)變，并展示了仿生撲翼、海星腕足彎曲、花朵開合以及手形驅(qū)動(dòng)器的選擇性“手指”彎曲等功能。這些結(jié)果說明，該透明材料平臺(tái)不僅能夠產(chǎn)生快速形變，還能夠通過結(jié)構(gòu)與光場(chǎng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多樣化仿生動(dòng)作。
 

　　研究亮點(diǎn)3：透明本體與不可見光控協(xié)同，實(shí)現(xiàn)水陸多模式運(yùn)動(dòng)
 

　　在功能展示方面，研究團(tuán)隊(duì)將高透明本體與人眼不可見的NIR控制相結(jié)合，構(gòu)建“雙隱形”軟體機(jī)器人，使機(jī)器人在可見光觀察下更易融入背景，同時(shí)隱藏其光學(xué)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
 

　　針對(duì)陸地運(yùn)動(dòng)，團(tuán)隊(duì)借鑒尺蠖的周期性收縮運(yùn)動(dòng)，通過前后不對(duì)稱摩擦設(shè)計(jì)，將光照引起的彎曲與撤光后的伸展轉(zhuǎn)化為定向爬行。機(jī)器人在一個(gè)約4 s的驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)可前進(jìn)約5 mm，平均速度約為1.25 mm/s，展示了透明機(jī)器人在NIR遙控下的定向移動(dòng)能力。
 

　　針對(duì)水面運(yùn)動(dòng)，團(tuán)隊(duì)利用局域光熱加熱建立界面溫度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生表面張力梯度，并結(jié)合雙層結(jié)構(gòu)的可逆彎曲與恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)水面推進(jìn)。通過設(shè)計(jì)具有多個(gè)葉片的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并選擇性照射不同區(qū)域，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)、直線運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)模式切換，展示了光場(chǎng)調(diào)控下的水面路徑控制能力。
 

　　本研究貫通了納米材料界面調(diào)控、透明復(fù)合薄膜制備和仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，揭示了高效光熱轉(zhuǎn)換與高透明性協(xié)同實(shí)現(xiàn)的材料機(jī)制，并驗(yàn)證了透明光驅(qū)動(dòng)體系在可編程形變和水陸多模式運(yùn)動(dòng)中的可行性。相關(guān)成果為發(fā)展環(huán)境融合型軟體機(jī)器人、動(dòng)態(tài)偽裝器件及透明光響應(yīng)系統(tǒng)提供了新的材料基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)路徑。
 

　　附作者簡(jiǎn)介：
 

　　仵雅禾，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，預(yù)聘助理教授/副研究員。長(zhǎng)期從事智能納米-聚合物復(fù)合材料、動(dòng)態(tài)高分子和液晶高分子的設(shè)計(jì)制備與性能調(diào)控。以第一/通訊作者在Adv. Mater.(4篇), Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Funct. Mater.等期刊發(fā)表論文12篇，授權(quán)/申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)。主持國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目3項(xiàng)。擔(dān)任Adv. Mater., Small, J. Energy Chem.等期刊審稿人。
 

　　張加濤，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院院長(zhǎng)，智能分子材料與高通量制造北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，英國皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，國家級(jí)領(lǐng)軍人才。主要從事半導(dǎo)體納米材料合成化學(xué)、組裝及其光電新能源、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。以第一/通訊作者在Nature, Science, Chem. Rev., Nature Nanotech., Sci. Adv., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Chem, Angew. Chem., Adv. Mater.等國際頂級(jí)SCI學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文200余篇，研究工作已被他人引用1萬九千余次，H因子66。成果獲得北京市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(排1)，中國材料研究學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)(排1)。目前擔(dān)任中國材料研究學(xué)會(huì)納米材料與器件分會(huì)副理事長(zhǎng)，中國化學(xué)會(huì)理事，中國化工學(xué)會(huì)化學(xué)工程專業(yè)委員會(huì)委員，中國化工學(xué)會(huì)智能制造專委會(huì)委員，中國金屬學(xué)會(huì)功能材料分會(huì)委員等職。Wiley期刊PhotoMat主編，Science合作期刊Energy Material Advances 期刊執(zhí)行副主編，Nano Res., Rare Metals，PNS: MI, 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào) 4個(gè)SCI期刊編委。榮獲2019國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)新材料及合成杰出獎(jiǎng)、中國材料學(xué)術(shù)聯(lián)盟IFAM2018青年科學(xué)家獎(jiǎng)、2023/24年科睿唯安高被引科學(xué)家等。
 

　　引用：北理工團(tuán)隊(duì)在隱形近紅外光控軟體機(jī)器人研究方面取得重要進(jìn)展 北京理工大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年9月15日】