為什么植物的葉子能在風中輕盈搖曳卻不會折斷？這要歸功于葉子內部的“骨架”——葉脈。

中國科學院合肥物質科學研究院的科學家們從葉脈中獲得了靈感，研發出了一種新型的液態金屬光熱致動器，讓機器人既具有足夠的強度，又能像葉子一樣輕盈

讓我們一起來看看這項有趣的發明吧！

神奇的光熱致動器：用光來控制物體運動

光熱致動器是一種能將光能轉化為機械能的裝置。材料具有熱脹冷縮特性，將熱膨脹系數不同的兩層或多層薄膜復合，溫度升高后不對稱膨脹導致復合薄膜彎曲。在復合薄膜中引入可將光能轉化為熱能的光熱材料，就可以利用光來控制薄膜的變形。以這種光驅動薄膜作為“發動機”即可設計出形形色色的機器人或仿生系統。當用光照射它，它就能根據預設結構彎曲、伸縮甚至跳躍。

以光為動力的光熱驅動夾持器示意圖：模擬太陽光照射到螺旋機器臂上，溫度升高，機械臂轉動、螺距增大；光撤離后，溫度恢復，機械臂恢復原狀；紅外激光照射到夾持器上，夾持器張開；激光關閉，夾持器關閉

（圖片來源：參考文獻1）

這種技術在軟體機器人、智能傳感器等領域有著廣泛的應用前景。如作為軟機器人的身體或者肢體控制軟機器人的動作、作為智能傳感器的光響應基體等等。因此，光熱致動器需要具有一定的強度才能再負載傳感器等部件。同時還要保證在光刺激下及時響應。

但這些需求卻是天然“矛盾”的——如果想要它反應快、變形大，就得做得輕薄；但如果想要它承重能力強，就得做得厚重。這就好比魚和熊掌不可兼得，科學家們一直在尋找一種既能快速響應又能承重的材料。

來自科幻的靈感：液態金屬

提到液態金屬，你可能會想到科幻電影里的“終結者”。

液態金屬機器人

（圖片來源：電影《終結者》）

現實中，液態金屬是一種在室溫下呈液態的金屬，比如鎵基合金。它既柔軟又導電，還能吸收光能并將其轉化為熱能。

液態鎵

（圖片來源：Veer圖庫）

中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所的田興友研究員和張獻研究員團隊將液態金屬微球加入到聚合物材料中，發現它不僅能賦予材料光熱特性，還不會讓材料變硬。這樣一來，材料既保持了柔軟性，又能快速響應光的照射。

不過，僅僅加入液態金屬還不夠，科學家們還需要一種更巧妙的設計來提升它的性能。

向大自然學習：葉脈與葉肉的完美搭配

植物的葉子之所以能輕盈又堅韌，是因為它的內部結構非常精巧：硬質的葉脈像骨架一樣支撐葉片，而柔軟的葉肉則降低葉片彎曲阻力。科學家們從中得到啟發，決定模仿葉脈的結構來設計光熱致動器。

他們用激光在液態金屬/聚酰亞胺薄膜上刻蝕出溝槽，減薄薄膜以降低變形阻力；溝槽之間未刻蝕的薄膜較厚，類似葉脈。然后用一種柔軟的材料（PDMS）進行封裝。這種設計就像給致動器裝上了“骨架”，既提高了其承載能力到自身重量的190倍，相當于一張A4紙可以承載兩瓶水，又保持了快速響應的特性（60.96 ± 3.08°/s）。

葉脈啟發液態金屬光熱致動器

（圖片來源：參考文獻2）

會爬、會跳、會游泳的“光驅機器狗”

基于這種仿生設計，研究團隊成功制造出了一種新型光熱致動器。它不僅反應速度快，還能實現復雜的變形。利用這種技術，科學家們設計出了一只“光驅機器狗”，它可以在光的控制下完成爬行、跳躍、游泳甚至站立等動作！

“光驅機器狗”的形態

“光驅機器狗”爬行、跳躍、站立

（圖片來源：參考文獻2）

此外，團隊還開發了一種高速振蕩器，這種設備可以快速振動，未來可能將可用于微型機器人或精密儀器中。這些有趣的發明展示了液態金屬光熱致動器的巨大潛力。

高速振蕩器

（圖片來源：參考文獻2）

這項研究的突破在于，它首次將仿生超結構引入液態金屬光熱致動器中，為未來的設計和制造提供了新思路。這些研究成果均已發表在材料學期刊《Advanced Materials》上。

展望未來，它還有更多應用

未來，這種技術可能會應用于更多領域，比如：軟體機器人——制造出更靈活、更智能的機器人，用于救援、醫療等領域；智能傳感器——開發出能根據環境光自動調節的設備；仿生設備——設計出像自然界生物一樣運動的機械裝置等等。

從葉脈到超結構溝槽，從植物到機器人，這項研究讓我們看到了科技與自然的奇妙結合。未來，隨著這項技術的進一步發展，或許我們會看到更多像葉子一樣輕盈、像動物一樣靈活的機器人出現在我們的生活中。

參考文獻：

1. Li X, Du Y, Xiao C, et al. Tendril‐Inspired Programmable Liquid Metal Photothermal Actuators for Soft Robots [J]. Advanced Functional Materials, 2023, 34(4): 2310380.

2. Li X, Du Y, Pan X, et al. Leaf Vein‐Inspired Programmable Superstructure Liquid Metal Photothermal Actuator for Soft Robots [J]. Advanced Materials, 2025: 2416991.

出品：科普中國

作者：李宵飛（中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所）

監制：中國科普博覽