光驱动液晶弹性体辐射状辐条的稳定自旋转机制及其摩擦调控研究

为解决自激系统振荡导致的摩擦波动问题，研究人员基于液晶弹性体(LCE)的光热响应特性，构建了恒定光照下辐射状辐条稳定自旋转系统。通过激活函数实现光照分布的连续建模，解析温度场与质心偏移产生的驱动力矩，建立平衡方程并确定临界条件。该系统通过吸热抵消阻尼耗散实现稳定转动，数值模拟表明角速度受热通量、收缩系数等参数调控，在软体机器人和能量收集领域具应用潜力。

　　

在自激振荡系统的研究中，一个长期存在的矛盾在于：虽然这类系统能通过外部稳定刺激（如光照）持续获取能量并维持运动，但其产生的振荡往往会导致结构稳定性下降和摩擦波动加剧。这一问题严重制约了自激系统在软体机器人、微马达等精密领域的应用。传统解决方案多采用"开关式"二元光照模型，难以实现运动过程的精准控制。更棘手的是，现有基于液晶弹性体(LCE)的自激系统普遍存在运动不连续、摩擦系数波动大等缺陷。

为解决这些瓶颈问题，黄河水利委员会水利科学研究院的Huili Dong、Pengsen Xu和Ming Wang团队在《Extreme Mechanics Letters》发表了一项创新研究。该工作通过巧妙设计辐射状排列的LCE辐条结构，结合连续光照调控机制，首次实现了稳定、低摩擦的自旋转运动。研究团队突破性地引入激活函数q(θ)，建立了从光强到温度场再到材料收缩的连续映射关系，取代了传统的非黑即白式光照分区模型。

关键技术方法包括：基于LCE光热响应模型构建温度场解析方程；通过质心偏移理论计算驱动力矩；建立包含光照参数、阻尼系数等变量的动力学平衡方程；采用数值模拟分析热通量、收缩系数等12个参数对稳定角速度的影响。

理论模型
研究首先建立了LCE辐条在光照下的温度场分布模型。当波长为λ的光照射时，LCE分子发生顺反异构化产生热量，其温度变化遵循热传导方程。通过定义的激活函数q(θ)精确描述不同角度位置的光照强度，进而计算出三维温度梯度场。关键发现是：LCE辐条的收缩形变与局部温度呈非线性关系，这种非均匀收缩导致系统质心发生周期性偏移，从而产生持续驱动力矩M_a。

平衡方程与临界条件
研究推导出包含驱动力矩M_a、阻尼力矩M_d和重力矩M_g的动力学方程。当满足M_a>M_d+M_g时，系统突破静态平衡开始自旋转。特别值得注意的是，该系统存在独特的能量平衡机制：旋转过程中，辐条交替进入光照区吸热和阴影区放热，这种动态热交换恰好补偿了阻尼耗散，使系统维持恒定角速度ω_s。

参数影响规律
数值模拟揭示了多参数耦合效应：热通量Q增加使ω_s线性提升；而光照区域角度θ₀存在最优值（约π/2）；收缩系数β增大可显著提高ω_s，但过大会导致运动失稳。研究还发现重力加速度g与ω_s呈负相关，这为太空环境应用提供了理论依据。

结论与意义
该研究通过创新性地构建LCE辐射状辐条结构和连续光照响应模型，实现了三大突破：首次在自激系统中实现稳定匀速旋转，将摩擦波动降低90%以上；建立的光-热-力耦合理论为智能材料运动控制提供新范式；系统无需外部电源或复杂控制器的特性，使其在野外作业机器人、微型发电机等领域具显著优势。特别是提出的激活函数方法，可推广至其他刺激响应材料系统，为下一代自主运动器件设计开辟了新途径。研究还指出，通过调控LCE分子取向或采用多波长光照，未来可进一步实现运动方向与速度的实时编程控制。