Advanced Materials:驭光而行:偏振光驱动的多向软体机器人

光驱动机器人依靠吸光材料的光热效果将光能转变为机械变形和运动。与其他驱动方式相比,光具有精确,远程和快速等优点。通过简单的材料设计,目前可以实现基本的光致机械变形,包括弯曲,扭曲和旋转。然而,将这些机械形变转化为可控的多模式机械运动是一个很大的挑战。美国加州大学河滨分校殷亚东教授课题组利用Fe3O4/Ag复合纳米棒,制备了一种偏振光驱动的多向可控软体机器人。这种软体机器人可以简单地通过控制单个激光束的偏振方向来行走和转向。相关成果发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202006367)上。

该团队利用模板法制备了Fe3O4/Ag复合纳米棒。这种复合纳米棒由并行排列的Fe3O4磁性纳米棒和Ag纳米棒组成。这种独特的结构赋予纳米棒耦合的磁-等离激元各向异性。所以,纳米棒的取向,等离激元和光热效果可以通过施加外加磁场调控。为了制备偏振光驱动的软体机器人,该团队将复合纳米棒固定到水凝胶里面。在聚合的同时,外加磁场可以精确控制纳米棒在机器人不同区域里的取向。他们设计了一种可以独立行走的双足机器人。Fe3O4/Ag复合纳米棒以垂直和水平取向被固定到了双足机器人的两条腿中。通过交替地改变激光的偏振,机器人可以稳定地前进。如果使用单一的偏振光驱动,机器人则可以向左或者向右转向。旋转的方向完全由激光的偏振方向控制。通过组合激发光源的偏振方向,机器人可以沿着预先设计的路径行走。这种设计可以克服现有光驱动器的限制,例如复杂的制作和驱动工艺,苛刻的光源要求和有限的驱动模式。因此,该软体机器人有望在物体运输,环境污染处理,能量收集等领域有一定的用途。

这种磁性/等离激元复合纳米棒独特的性能使得设计多向机器人成为可能。值得一提的是,文章中报道的模板法可以用于制备多种复合纳米材料。这种智能纳米材料可以用于创建更多的功能材料和先进设备,比如高性能的比色传感器,智能生物成像造影剂,多色显示器,防伪标签等。