光反馈调控下远离平衡态响应材料的光控定向交互结构与自适应网络研究

《Nature Communications》：Light-mediated communication in responsive materials ranging from individual self-oscillators to feedback-driven network

本研究针对人工响应材料系统普遍存在的相互作用方向性弱、作用距离短等问题，开展了基于光反馈的光响应材料定向交互结构研究。研究人员构建了包含挡板和软执行器的光机械算子系统，通过正负算子配置在闭环光反馈中实现稳态自振荡和光信号跨材料传输。研究证实了光学互联材料环在形态状态与振荡频率方面的自适应能力，为日常材料中的光介导交互提供了通用设计方法。

　　

在自然界中，许多生物材料能够在远离热力学平衡的条件下表现出令人惊叹的交互行为，如细胞间的信号传导、生物群体的协同运动等。这些自然现象极大地激发了科学家们对合成仿生材料的研究兴趣。在人工系统中，研究人员已经尝试通过各种方式实现材料间的相互作用，包括机械接触、流体动力学耦合、热梯度、化学扩散和磁场等。然而，这些交互方式往往存在明显局限性：它们通常缺乏高度的方向性，或者相互作用范围有限，这严重制约了响应材料在复杂环境中的应用潜力。

正是为了解决这一关键技术瓶颈，发表在《Nature Communications》上的这项研究提出了一种创新性的方法：利用光反馈在光响应材料中构建高度定向的交互结构。该研究的核心在于通过光学手段实现材料间的精准通信，特别是在材料系统远离热力学平衡状态时，能够建立起稳定可靠的信息传递通道。

研究人员设计了一个精巧的光机械算子系统，该系统由挡板和软执行器组成。通过配置正负算子，他们成功诱导了光触发变形，这些变形能够交替中断闭合反馈环中的两束光线。这种设计使得光学互联的材料环能够实现类似稳态的自振荡行为，以及通过光实现从一个材料到另一个材料的信号传输。

在技术方法层面，本研究的关键创新在于光学反馈系统的构建与优化。研究人员主要采用了光机械算子系统设计，通过精确控制光路和材料响应，建立了闭环反馈机制。系统包含挡板和软执行器组件，通过正负算子的配置实现光束的交替中断。光学对准技术的改进使得系统能够实现远程传感和反馈网络功能，这些网络在材料的形态变化状态和振荡频率方面表现出自适应特性。

光机械算子系统的构建与功能

研究人员首先构建了一个包含挡板和软执行器的光机械算子系统。该系统通过精心设计的光路配置，使得材料在光照射下产生特定变形，这些变形又反过来影响光的传播路径，形成闭环反馈。实验结果表明，这种设计能够实现两种基本功能：一是类似稳态的自振荡行为，即系统能够在没有外部干预的情况下维持周期性运动；二是光信号的跨材料传输，实现了信息在材料间的有效传递。

正负算子的配置与光触发变形机制

研究团队通过配置正负算子，探索了不同条件下光触发变形的特性。正算子能够增强光与材料的相互作用，而负算子则起到抑制作用。这种对立但互补的设计使得系统能够实现对光路的精确控制，交替中断两束光线在闭环反馈中的传播。这一机制是实现材料间定向交互的关键，确保了相互作用的高度方向性和可控性。

光学对准技术与自适应网络

通过对光学对准技术的精细化改进，研究人员进一步扩展了系统的功能。改进后的系统不仅能够实现远程传感，还能构建复杂的反馈网络。这些网络展现出显著的自适应特性：无论是材料的形状变化状态还是系统的振荡频率，都能够根据环境条件进行动态调整。这种自适应能力使得系统在面对外部扰动时能够保持稳定运行，大大提升了其实用价值。

稳态自振荡与信号传输特性

在系统性能方面，研究重点关注了稳态自振荡行为和信号传输特性。实验数据显示，光学互联的材料环能够维持长时间稳定的自振荡，这种振荡行为类似于生物系统中的稳态维持机制。同时，光信号能够在材料间高效传输，实现了信息从一处到另一处的可靠传递。这些特性为构建复杂的光控材料系统奠定了基础。

研究结论表明，这种基于光反馈的定向交互结构为响应材料间的光介导相互作用提供了通用且灵活的设计方法。该方法不仅解决了传统交互方式中方向性弱和作用距离短的问题，还为实现材料的自适应行为和复杂网络功能开辟了新途径。特别是在日常材料中的应用前景广阔，有望推动智能材料领域向更高水平发展。

讨论部分进一步强调了该研究的创新性和重要意义。与传统的机械接触、化学扩散等交互方式相比，光介导的相互作用具有明显的优势：作用距离远、方向性强、响应速度快。这种光反馈驱动的方法为构建复杂的响应材料网络提供了新思路，特别是在需要精确控制和远程操作的场景中具有独特价值。未来，这一技术有望在软体机器人、自适应光学系统、智能传感等领域发挥重要作用，推动材料科学向更加智能化和功能化的方向发展。