Advanced Functional Materials:面向混合现实的液晶软执行器与机器人

虚拟现实(Virtual Reality, VR)、增强现实(Augmented Reality, AR)等新技术能够借助计算机控制的传感器、执行器、控制器、显示器等给人们带来全新的感官体验。尽管人们已经开发出了用于采集用户动作的各类设备(如VR仓、头盔、手套等),但仍然无法实现人、机、环境之间实时交互的触觉反馈。此外,笨重的设备以及复杂的外部电路不仅难以提供良好的用户体验,还给用户的操作带来了不便。

液晶材料是一种可以根据各种外部刺激调整其化学或物理特性的智能软材料。使用液晶材料制备的柔性执行器和机器人比现有的机械部件更轻巧,且有望实现远程操控。将这些柔性执行器和机器人与现有的VR和AR技术相结合,有望构筑出具有功能可调的触觉反馈新型设备,进而创造出具有视觉、听觉和体感交互的混合现实(Mixed Reality, MR)新世界,增强人、计算机和环境之间的交互,提供更具身临其境和真实的用户体验。

复旦大学材料科学系俞燕蕾教授课题组近日在Advanced Functional Materials上发表了题为“Liquid Crystal Soft Actuators and Robots toward Mixed Reality”的Progress Report文章。该文章介绍了近年来响应性液晶执行器和机器人的研究进展,展望了其在VR/AR以及MR领域中的潜在应用,重点介绍了它们在触觉显示方面的潜力。

作者首先从液晶材料的设计入手,综述了在不同刺激源下液晶材料形变的机制,重点介绍了光、电等非接触式、可编程的刺激源在形变控制上的突出表现。通过综述这些液晶材料构筑的马达、泵、振荡器等机械输出装置,展现其在机械信号输出上快速响应的特点,有望进一步避免现有机械传动带来的信号转换、处理和传输所带来的延时性,实现实时的触觉信号反馈。进而根据不同机械输出模式所呈现的功能进行分类,介绍了具有模仿各类动植物形态、运动和功能的液晶执行器和机器人,强调了液晶材料的柔性、轻量、功能可调等特点在环境仿生上,特别是水下触觉反馈中的优势。最后,通过介绍具有可调形态和拓扑结构的液晶表面,展现了其在盲文显示和表面摩擦力调控等领域的应用,展望了它们在实现表面纹理和粗糙度等精密触感调控中的潜力。尽管目前所述的液晶软执行器和机器人的功能相对简单,但本文的总结能够对新型液晶材料的设计以及将其应用于MR的新型执行器和机器人起到指导作用。

该文章发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202009835)