中国科大实现水下仿生多模态拓扑液晶凝胶剪纸

近日，中国科学技术大学物理系彭晨晖教授、蒋景华研究员和北京大学冯帆教授团队合作，针对软体机器人在水下如何高效、无缆、可编程地运动这一交叉领域的核心挑战，提出并实现了一种单片式、光响应的水下拓扑液晶凝胶剪纸的创新设计策略。通过将微观分子排列与宏观几何结构整合，打造出在水环境中具备全空间仿生游泳、跳跃、滚动、行走、攀爬、搬运与踢球等多种复杂运动能力的智能软体机器人系统。这项工作为未来水下机器人、智能驱动材料与自主执行系统的发展开辟了全新路径。此工作于9月8日以“Aquatic topological liquid crystal gel kirigami”为题发表于Advanced Functional Materials。

合作团队以液晶凝胶（LCG）为基底，充分发挥其水下光响应可编程形变优势：先在微观层面“写入”辐射状拓扑缺陷，精准锚定分子取向；再将之与二维剪纸几何结构编码耦合，实现了从纳米级分子排列到厘米级宏观运动的跨尺度协同调控。将辐射状的拓扑缺陷图案“编码”进水母形状的剪纸结构，团队成功制作出具有仿生形态的液晶凝胶水母。借助微粒示踪测速方法，团队分析其“阻力推进”机制。在连续的光照刺激下，液晶凝胶水母可以在水环境中实现全空间自由游动与定向跳跃运动，如图1所示。而后，团队在保持液晶凝胶内部分子排列不变的情况下，仅将剪纸几何形状切换为鳐鱼轮廓，便借助“前后水流对称破缺”机制，打造出仿生液晶凝胶鳐鱼；依托三维操控平台的光场调控，它可沿预设复杂轨迹精准巡航。

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图1.在水环境中跳跃的液晶凝胶水母写出“物”字。控制鳐鱼 “USTC”游动轨迹。

在相同形状的剪纸结构中引入不同的拓扑分子排列也会导致液晶凝胶剪纸不同的宏观形变和水下运动行为。合作团队将液晶凝胶水母中的辐射状拓扑缺陷图案改写成螺旋拓扑图案，实现了由螺旋拓扑缺陷手性控制的定向旋转的液晶凝胶转子。进一步将单缺陷扩充为缺陷阵列，通过对微观分子排列和宏观剪纸结构相互作用的调控，合作团队实现了液晶凝胶剪纸更丰富的多功能水下运动——固定光照下自主双向滚动的液晶凝胶圆环、兼具前进和旋转功能的“中国结”以及集行走、爬坡、载货、卸货、踢球于一体的多功能水下机器人。

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图2 在水环境中具有前进和旋转功能的液晶凝胶“中国结”

该成果制造出能够在水环境中完成复杂形状转变并展现独特运动的软材料，实现了拓扑缺陷与液晶凝胶软物质之间的成功整合，不仅能够模拟水生生物的行为，还能催生出超越自然能力的创新游泳模式。这些进展在包括生物医学工程、机器人技术和材料科学在内的多个领域具有重要应用潜力，为水下微型机器人、血管介入器械、智能传感贴片等应用场景打开通道。

此项研究结合了软物质物理、材料化学和工程力学技术。合作团队自主研发了基于投影显示的无掩模光刻系统，实现了液晶取向场的精准图案化。通过调控微观液晶分子的拓扑排列和宏观剪纸几何结构的相互作用，实现了液晶凝胶剪纸的复杂形变和丰富的水下运动行为。

此工作实验部分由中国科大彭晨晖教授、蒋景华研究员团队完成，理论模拟部分由北京大学冯帆教授团队完成。彭晨晖教授、蒋景华研究员和冯帆教授为本文共同通讯作者，中国科大博士生类子涵和柴祯熠为本文共同第一作者。中国科大王柳教授、李闯教授、北京大学研究生万凯、中国科大博士生张婧、王国栋和本科生李玟欣为共同作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院、安徽省自然科学基金和中国科大“双一流”平台建设经费的资助。

相关链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202512059