导读：软体光致动器已在多个前沿领域展现出巨大的应用前景，并成为国内外的研究热点。但现有光致动器主要由空间光驱动，应用场景易受空间环境的限制。利用光波导传输光可克服空间光致动器的固有缺陷，但目前的光波导型致动器的变形性能从根本上受到标准光纤的性质的限制。鉴于此，之江实验室触觉研究团队张磊教授、杨文珍教授与浙江大学王攀研究员合作，提出利用微纳光纤的微小尺寸提高能量密度和光耦合效率并减小致动器厚度，进而提升光致动器变形性能的新思路，研制了一种高性能的微纳光纤致动器。相关论文以“Optical fibre taper-enabled waveguidephotoactuators”为题，发表于《Nature Communications》杂志上（DOI: 10.1038/s41467-022-28021-4）。
软体致动器已在软体机器人、人工肌肉、仿生运动、物体的抓取与释放等多个领域展现出巨大的应用前景。在众多驱动方式中，光驱动具有便于远程传输、多种参数（如波长、强度、偏振等）可调等特点，使得软体光致动器成为国内外的研究热点。
目前，自由空间光驱动是光致动器的主流驱动方式，这意味着在光源和致动器之间必须有不被遮挡的传播通路，而在弯曲管道、体内腔道、复杂空间等光线无法直接到达的场景，空间光型致动器则难以工作。此外，自由空间光的强度在长距离运输过程中易受散射、吸收和折射等因素的影响，导致远距离隔空照射时精准定位难、光强波动大。因此，空间光型致动器在复杂开放场景下的应用面临诸多限制。采用柔性光波导将光引导到致动器中是克服上述限制的有效策略。然而，目前已报道的光波导型致动器受限于普通商用光纤的固有特性，整体厚度大、光耦合效率低、能量密度低，导致其变形幅度小、速度慢，无法满足实际应用需求。
本研究以微纳光纤为核心，构建了基于光热效应和热膨胀系数不匹配机理的双层结构的光波导型致动器，借助微纳光纤的微纳米级尺寸，使致动器整体厚度降至70um（图1），并具有高能量密度和光耦合效率。因此，该光致动器具有变形角度大（>270°）、响应速度快（180°弯曲用时1.8 s）和能耗低（<0.55 mW/°）（图2）等特点，大幅提升了光波导型光致动器的综合性能。
图1微纳光纤光致动器的结构与工作机理
用该致动器构建的单臂和双臂柔性抓手可实现对不同形状、大小和重量的物体的柔性抓取，抓取能力是自身重量的70倍（图3）。
图3微纳光纤光致动器构建的单臂和双臂软体抓手抓取不同形状、大小和重量的物体
研究者将软体抓手装载到电动导轨上，可在大范围内抓取、移动和操控物体，从而克服了空间光型致动器在大范围精准操控物体方面的缺陷。
图4微纳光纤光致动器软体抓手在大范围内操控物体
本工作的研究意义在于，利用微纳光纤显著提高了光波导型光致动器的变形能力，并实现了大范围内对物体的抓取、转移和操控，克服了空间光型致动器在远程精准操控方面的缺陷。
本文第一作者为之江实验室类人感知研究中心的肖建亮博士，之江实验室类人感知研究中心的张磊教授/杨文珍教授、浙江大学王攀研究员为共同通讯作者。
参考文献：
Xiao, J.; Zhou,T.; Yao, N.; Ma, S.; Pan, C.; Wang, P.; Fu, H.; Liu, H.; Pan, J.; Yu, L.; Wang, S.; Yang, W.; Tong, L.; Zhang, L., Optical fibretaper-enabled waveguide photoactuators. Nature communications2022,13 (1), 363.
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28021-4
来源：高分子科学前沿
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