光反馈调控的软体机器人执行器：仿生反馈机制赋予材料自主智能行为

研究人员受生物反馈机制启发，在光响应液晶弹性体(LCE)中构建了可编程反馈回路。通过挡板-执行器系统设计，实现了正反馈驱动的双稳态切换和负反馈维持的自振荡运动，成功开发出具有自主爬行和游泳功能的软体机器人。该研究为无电子器件的智能材料系统设计提供了新范式。

　　

自然界中生物体通过精妙的反馈机制实现环境适应与行为调控，如钙离子(Ca²⁺)浓度波动通过正负反馈协同维持细胞稳态。然而在人工材料系统中，这种动态交互能力长期缺失，使得传统响应材料只能实现单向刺激-响应行为。如何赋予合成材料类似生物体的自主调节能力，成为软体机器人领域的重要挑战。

芬兰坦佩雷大学(Tampere University)光机器人研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表的研究中，创新性地将生物反馈机制引入光响应材料。研究人员设计了一种基于液晶弹性体(LCE)的挡板-执行器系统，通过调节挡板与入射光的相对位置，实现了正负反馈的可编程控制。正反馈机制使材料获得类似"全或无"的双稳态切换特性，而负反馈则产生自持振荡，成功实现了无需电子控制的自主运动机器人。

研究采用光取向技术制备具有各向异性响应的LCE薄膜，通过精确控制分子排列方向实现弯曲、扭转等变形模式。关键实验包括：1) 搭建挡板-执行器反馈系统量化光-机械响应曲线；2) 红外热成像监测温度场分布；3) 设计摩擦偏置轮结构实现定向爬行；4) 构建浮游推进器测试水中运动性能。通过系统调节激光功率(25-710 mW/cm²)和挡板位置，揭示了反馈强度与能量耗散的定量关系。

反馈调控的光-机械响应
研究发现挡板位置决定反馈类型：当挡板初始遮挡大部分光线时，执行器变形会增大受光面积，形成光→热→变形→光吸收的正反馈循环。相反，若挡板初始完全透光，变形将减少受光面积，建立负反馈回路。红外热像显示正反馈使两侧温差ΔT达42°C，而负反馈维持ΔT<5°C的稳态振荡。

正反馈驱动的多稳态转换
通过中心固定挡板设计，LCE执行器表现出双稳态特性。当激光功率从65增至1049 mW/cm²时，能量势垒从0.8升至3.2 μJ。这种光控势垒特性使系统可通过270 mW/cm²的LED触发实现状态切换。串联多个单元可构建具有"禁阻态"的复杂多稳态系统，其稳定构型数遵循N+1规律（N为单元数）。

负反馈维持的自主运动
末端挡板设计使1.2 cm长的LCE执行器产生3.8 Hz的自振荡，傅里叶分析显示该频率不受风速扰动影响。基于此开发的爬行机器人通过表面齿纹产生摩擦偏置，在550 mW/cm²光照下实现1.7 mm/s定向运动。水上推进器则利用8 Hz的周期性气流产生推力，推动23 mg的小船运动。

光响应材料中的反馈普适性
研究进一步证实反馈机制普遍存在于不同变形模式的材料中：弯曲条带在低光强区（1/r<0.2 cm^-1）表现为受光面积增加的正反馈，高光强区转为遮挡主导的负反馈；扭转和弹簧结构同样呈现双阶段反馈特性，其曲率变化斜率与温度场分布高度相关。

该研究首次系统阐述了反馈机制在光驱动软体机器人中的设计原理与应用价值。通过仿生反馈回路，材料系统获得了环境交互、状态记忆和能量自主分配等类生命特征。特别值得关注的是，研究揭示的反馈普适性规律为各类响应材料提供了统一的设计框架，将推动自主智能材料向更复杂的群体协作和自适应功能发展。未来通过集成多种反馈模式，有望实现真正意义上的"无芯片"软体机器人系统。