《Lab on a Chip》：Light driven polymer thin films as flying robotic chips in the sky
编辑推荐：
本文系统综述了光驱动聚合物薄膜在微型飞行机器人领域的前沿进展。文章聚焦于模仿风媒种子（如枫树翅果和蒲公英冠毛）的被动飞行机制，阐述了刺激响应材料（如液晶网络LCNs）的光热/光化学驱动原理，探讨了其在环境监测中作为可生物降解、无源传感平台的潜力，为下一代生态兼容型微型飞行器（MAVs）提供了创新路线图。
光驱动聚合物薄膜作为空中飞行机器人芯片
超越传统的行走和游泳等运动方式，飞行对于响应性材料而言仍是一个尚未完全征服的前沿领域。当前的飞行器依赖电动机或执行器，在功率密度和小型化方面面临挑战。然而，大自然提供了灵感：例如枫树和蒲公英等植物的种子所展示的风助被动飞行机制，为微型机器人学家提供了高能效的模型。这篇综述重点介绍了跨学科的努力，旨在利用响应性薄膜创建具有空中可控性和机器人能力的空中系统。我们探索了风媒传播飞行器的生物设计、潜在的飞行机制、用于形状变形和飞行控制的材料，并探讨了板载传感的潜力以及这一新兴研究领域面临的风险与挑战。
自然范例为飞行器设计提供灵感
植物远在莱特兄弟之前就掌握了飞行的艺术与科学。风媒传播的繁殖体主要分为两类：翅果和簇生、具冠毛的种子。翅果（如枫树翅果）利用自旋转动下降，其飞行稳定性源于精细的质量分布和升力增强的旋转动力学，特别是其前缘涡（LEV）的产生显著增强了升力和旋转扭矩。而具冠毛的种子（如蒲公英）则采用类似降落伞的结构，通过最大化空气阻力来实现缓慢、稳定的下降。其独特的空气动力学现象——分离涡环（SVR）的形成，依赖于冠毛的孔隙度，当超过临界值（φ* ≈ 0.93）时，会形成稳定的涡流尾迹。蒲公英的冠毛还能响应湿度变化，在潮湿条件下闭合，防止在不适合传播的天气中过早扩散。
光驱动薄膜用于空中机器人技术
为了实现空中机器人的远程控制，光刺激提供了一种可扩展的非接触解决方案。光驱动执行材料主要包括光驱动液晶网络（LCNs）和光驱动双层执行器。LCNs通过光热机制（将光能转化为热能，触发向列相到各向同性的相变）或光化学机制（如偶氮苯的光致异构化）产生宏观、可逆的形状变化。这些材料可以实现从环境光照（包括太阳光）驱动的快速、可编程变形。光驱动双层执行器则利用活性层和被动层之间的差分变形（例如，由光热纳米材料或分子光开关引起）来产生宏观曲率变化。通过结合各向异性纳米材料（如排列的碳纳米管）或环境响应性（如湿度敏感的石墨烯氧化物），可以实现更复杂的形状变形和多模态驱动。
光驱动飞行器
受自然飞行的启发，研究人员开发了多种光驱动微型飞行器。旋转飞行器模仿枫树翅果的自旋，利用光热石墨烯和吸水性复合材料，在近红外光照射下可实现高速旋转甚至起飞。另一种人工翅果则利用偶氮苯功能化的LCNs，在UV-蓝光照射下使机翼变平，从而在飞行中动态调节下降速度和轨迹。蒲公英飞行器则模仿其冠毛结构，使用LCN执行器条带制造合成冠毛，在光照下可逆变形，实时调节终端速度和下降轨迹，甚至结合MXene等材料实现光、湿度、温度等多模式响应。降落伞型飞行器，如一种无电池的折纸微型飞行器，通过低功率电磁执行器（由板载太阳能电池板供电）主动改变其空气动力学构型，在翻滚下降（增加横向位移）和稳定垂直下降之间切换。
板载功能
除了飞行控制，将这些平台发展为分布式传感节点是关键。策略包括集成微型电子传感器（如紫外线传感器、压力、湿度、温度传感器）进行数据采集和无线传输。更具可持续性的方法是开发材料固有的传感功能，例如，利用结构本身对湿度等环境因素的响应（如蒲公英冠毛的吸湿变形）作为传感机制，或集成比色/发光材料（如近红外发光材料），通过光学读出来检测环境信息（湿度、紫外线、pH值等），而无需嵌入式电子设备。这为构建生态兼容的分布式传感器网络提供了可能。
讨论与展望
与依赖高电压、刚性电极的传统电动微型飞行器相比，光驱动被动飞行器仅依靠环境力（重力、风阻）实现长距离移动，具有更高的能量效率（运输成本COT低至约0.2 J kg-1m-1）。光刺激的空间选择性和易集成性使其特别适合于分布式环境监测。响应性聚合物本身具备智能响应能力，将传感功能内置于材料中。
环境可持续性是大规模部署的关键考虑因素。使用可生物降解的结构材料（如纤维素醋酸酯、聚乳酸）并结合瞬态电子技术，是减少生态足迹的重要途径。然而，实现完全可生物降解（包括电子和传感组件）仍面临挑战，需在机械完整性、环境稳定性和降解速率之间取得平衡。
未来挑战包括提高智能材料的响应速度和驱动效率，以在随机风 fluctuation 中实现可靠控制；在不牺牲飞行性能的前提下集成传感、驱动和计算等多功能；以及最终实现完全生态兼容的设计。生物启发微型飞行器有望在传统无人机不实用的场景（如茂密森林、灾区）中发挥作用，作为瞬态、可部署的传感器，以最小的生态足迹进行大规模环境监测。通过将简单的传感功能直接嵌入材料，并利用遥感技术读取信息，可以实现低能耗、低维护的大范围环境监测。这一领域正朝着将响应性材料与被动飞行原理深度融合的方向快速发展，为未来可持续的空中机器人技术开辟了新道路。
