集光学交互功能于一体的软体机器人，内置液晶全息技术

《Light-Science & Applications》：All-in-one optically interactive soft robots with embedded liquid crystal holography

　　摘要：能够自我驱动信息传输的软体机器人对于实现更接近生物体行为的智能交互具有巨大潜力；然而，构建这样的系统仍然是一项挑战。在这里，我们展示了一种集成了全息命令编码、加密和显示功能以及按需任务执行功能的一体化光学交互式软体机器人。通过利用液晶和丝素纤维蛋白的独特组合，该系统在完全由软物质构成的模块化架构内实现了多自由度驱动与信息复用的协同整合。这种“信息-机器”耦合范式将任务指令编码成加密的全息反馈，确保只有在准确解码后才能可靠地执行复杂操作。作为演示，我们展示了一个智能夹持器，它可以根据解码的全息命令精确抓取和分类物体，以及一个能够在多层加密全息路径引导下导航迷宫的行走机器人。所提出的策略为开发模仿生物体的交互式软体机器人建立了新的框架，这些机器人以光作为核心信息载体。

简要总结：我们描述了一种光学交互式软体机器人系统（OISRS），该系统利用液晶计算全息技术进行嵌入式光命令处理和决策制定。

引言：软体机器人已成为机器人技术领域的革命性技术，其特点是具有高自由度、出色的连续变形能力、卓越的环境适应性和安全的人机交互性。与传统刚性机器人不同，软体机器人能够更好地模拟生物体的顺应性和适应性行为，在人机交互、精准医疗、灾难救援、深海探索和太空任务等领域具有巨大潜力。材料工程和结构编程的最新进展使软体机器人能够实现多样化的三维（3D）变形和复杂的多模态运动，支持在复杂环境中的导航、适应性抓取和物体操作，以及微创手术和靶向治疗等任务。这些任务的成功执行根本取决于两个关键要素：定义要执行的任务（命令）和确定如何执行这些任务（驱动）。特别是在任务关键的应用中，软体机器人只有根据编码的命令精确操作才能完成任务。然而，现有的软体机器人系统仍然依赖于外部硬件控制架构或人类认知输入来生成和解释任务命令，而机器人本身缺乏信息存储和传输的集成能力，因此无法指导操作者执行哪些任务以及如何执行这些任务。这一关键限制源于缺乏类似生物神经中枢的嵌入式信息存储单元，该单元可以发送精确的移动指令，从而阻碍了机器人系统内部实现局部信息编码、处理和传输。因此，开发具有嵌入式信息管理中心的完全软体机器人架构对于提高其交互性和自主性至关重要。

软物质全息技术是一种新兴技术，它将软材料（例如液晶（LCs）、聚合物和生物材料）的动态可调性与全息信息编码相结合。传统软物质全息系统主要采用折射率光栅调制技术。最近，基于几何相位的多晶液晶（LC）全息技术因其独特的优势而受到关注，包括可调操作和宽带光谱适应性。通过利用液晶分子的内在双折射和光相位调制能力，这种方法可以实现动态波前调制，用于全息图的生成。液晶全息技术的最新进展在高频密度的光信息编码和存储、动态全息显示以及多通道加密/处理方面取得了显著进展。将这项技术融入软体机器人系统为非电子化、高密度和安全的资讯存储和处理提供了有前途的途径，从而推动了软体机器人向更复杂的、受生物启发的智能系统发展。具体来说，通过设计基于液晶超结构的全息接口，软体机器人可以根据需要存储精确的任务指令或环境映射信息，并通过光反馈实现人机交互，有效解决了当前软体机器人平台上信息处理的局限性。

在这项工作中，我们描述了一种光学交互式软体机器人系统（OISRS），该系统利用液晶计算全息技术进行嵌入式光命令处理和决策制定。该软体机器人采用完全由软物质构成的模块化架构构建，主要由液晶网络（LCNs）和丝素纤维蛋白（SF）组成。我们证明，LCN和SF的独特组合使得（i）通过它们对光和湿度的可编程响应实现多自由度驱动，以及（ii）通过它们的多模态编码能力实现信息复用。我们建立了一个闭环框架，用于整合命令编码、数据加密、视觉显示和按需执行，从而促进复杂任务的可靠执行。这种聚合物薄膜设备通过全息成像实现了命令信息的光学交互，在我们的系统中充当类似生物体中枢神经系统的信息整合单元，从而为解决上述当前软体机器人系统的局限性提供了有前景的方法。作为概念验证，我们展示了一个能够根据集成全息指令精确抓取和分类物体的智能夹持器。最后，我们展示了一个行走机器人成功地沿着多层加密全息路径导航迷宫。

OISRS的概念：OISRS通过使用液晶网络/丝素纤维蛋白（LCN/SF）双层作为驱动模块和嵌入全息图的加密LCN薄膜作为信息模块，在统一架构中整合了驱动和信息功能。在操作过程中，操作者解码嵌入在信息模块中的任务命令，并根据这一视觉反馈精确控制驱动模块来执行相应的任务。图1展示了OISRS的闭环设计。在该系统中，利用液晶的固有光对齐能力，通过基于数字微镜设备（DMD）的微光刻系统记录相位全息图，从而将特定于任务的光信息直接编码到固态LCN薄膜中（图1a）。利用丝素纤维蛋白出色的形状可编程性和掺杂剂容纳能力，掺有上转换纳米颗粒（UCNPs）的变形丝素纤维蛋白层提供了三维架构和近红外（NIR）可激发的荧光，用于光加密（图1b）。按照预定义的解密方案，使用圆偏振光（CPL）照明从LCN层重建出不同的全息图像，这些图像与丝素纤维蛋白层的荧光颜色一一对应。这种相关性使得可靠的信息提取和多维光显示成为可能（图1c）。解码后的全息图像因此作为光命令接口，允许操作者解释编码指令并精确指导任务执行（图1d）。

系统整合了以下功能：（a）信息编码，（b）加密，（c）显示，以及（d）执行。LCN-SF复合材料将多自由度驱动与集成信息处理能力协同结合。我们开发的LCN全息技术首次实现了具有嵌入式相位全息图的液晶-聚合物固态薄膜的创建。与依赖流体液晶状态的传统全息系统不同，这种固态配置通过界面组装实现了与软体机器人平台的有效集成。在OISRS中，全息LCN作为信息整合单元——功能上类似于生物体的中枢神经系统——其中全息反馈动态调节操作者与机器人系统之间的光信息交换。此外，LCN和SF层之间的协同耦合赋予了这两种材料单独无法实现的多功能性。具体来说，LCN具有出色的光热响应性和全息编码能力，但其有限的热塑性、单模驱动行为以及与功能性掺杂剂的不兼容性限制了它们在软体机器人系统中的多功能性。相比之下，SF薄膜表现出优异的变形性、湿度驱动的驱动性和高掺杂剂兼容性，有效地弥补了LCN的固有局限性。因此，这两种材料的结合产生了一个多功能平台，实现了多自由度驱动和信息复用。这种材料协同效应为构建集成信息编码、加密、显示和驱动的一体化软体机器人系统提供了坚实的基础。

OISRS的驱动模块是一种双层结构，能够在光热和湿度刺激下实现双模态、可编程驱动。具体而言，双层驱动器由LCN和SF薄膜组成，如图2a所示。LCN薄膜由含有光热掺杂剂和致僵直溶剂的反应性介观体系制成，作为对光高度响应的光响应层，具有束宽结构（图2a）。SF薄膜由再生蚕丝素溶液制成，由于其良好的吸湿性、柔韧性、易于功能化、优质的光学性能和形状可编程的多态特性而被选为湿度响应层（图S1）。此外，SF薄膜的负热膨胀系数增强了其与LCN薄膜的兼容性，提高了光热驱动性能。LCN和SF层之间的显著热膨胀和吸湿性能差异使得在湿度-光热刺激下实现可逆的不对称驱动。在光照下，LCN层向SF层弯曲（图2a-i）；而在高湿度环境下，SF薄膜在微观和纳米尺度上表现出协同的吸湿膨胀，导致其向LCN层弯曲（图2a-ii）。

该双层结构通过将SF薄膜层压到LCN基底表面并使用薄的光学透明粘合剂中间层来制造。这种设计确保了在循环驱动过程中的坚固界面粘接和机械稳定性。所得到的LCN/丝素双层驱动器表现出高机械灵活性（图S2a）。横截面SEM分析（图S2b）显示SF层紧密附着在LCN层上，证实了形成稳定的界面。图2b和图2c分别展示了在光热辐射状态（i）和高湿度状态（ii）下材料组成和驱动原理的示意图。b LCN层的光热驱动机制。光照导致束宽和无序分子结构之间的可逆切换。c SF层在湿度增加至65%以下时的吸湿膨胀，当湿度恢复到30%时恢复到原始平坦状态。然而，当湿度超过65%时，由于水分子破坏了氢键，层会发生瞬态弯曲，然后在湿度降低时向SF层弯曲。d 在不同光照强度下双层驱动器的数字照片。θ表示弯曲角度。刻度尺：5毫米。e 在不同湿度（低于65%）下双层驱动器的数字照片。κ表示弯曲曲率。刻度尺：5毫米。f 在85%湿度下暴露期间和之后的三种关键状态的数字照片：峰值瞬态状态、平衡状态和最终固定状态。刻度尺：5毫米。g 弯曲角度对不同光照时间的依赖性。h 在30%和65%湿度之间循环切换过程中的弯曲曲率变化。i 在湿度从30%增加到85%、保持在85%以及随后返回30%湿度过程中的弯曲曲率演变。

该双层结构通过使用薄的光学透明粘合剂中间层将SF薄膜层压到LCN基底表面来制造。这种设计确保了循环驱动过程中的坚固界面粘接和机械稳定性。所得到的LCN/丝素双层驱动器表现出高机械灵活性（图S2a）。横截面SEM分析（图S2b）显示SF层紧密附着在LCN层上，证实了稳定界面的形成。图2b和图2c分别展示了在光热和吸湿刺激下控制双层驱动的底层分子机制。LCN层在其相对表面上具有垂直于平面的液晶取向。当光热加热超过其玻璃化转变温度（约21°C，图S3）时，LCN的介观取向逐渐无序。这导致在顺向排列（HA）表面伸长，在平行排列（PA）表面收缩（图S4），产生朝向PA表面（或SF层侧）的弯曲力矩。为了确认这种热诱导转变是玻璃化转变而不是向列相到各向同性相的转变，我们对LCN在不同温度下进行了X射线衍射（XRD）测量（图S5）。LCN样品在不同温度下的XRD光谱始终在18–21°范围内显示出狭窄而尖锐的衍射峰，证实了向列液晶相的存在。特别是在30–150°C的温度范围内，没有新的衍射峰出现，现有峰也没有显著消失或位置移动。这些观察结果表明，在加热过程中晶体结构保持不变，从而确认在这个温度范围内没有发生向列相到各向同性的相变。在冷却过程中，介子分子恢复到原来的排列状态，使双层结构回到初始状态。为了获得最佳性能，SF薄膜始终与LCN的PA表面结合，除非另有说明，这增强了光热-机械转换效率，并确保了双向驱动能力。在加湿过程中，系统表现出两种不同的驱动行为。当相对湿度（RH）降低到SF的玻璃化转变阈值以下时（在我们的案例中，大约是30°C下的68% RH，见图S6），SF薄膜迅速吸收水分并仅发生体积膨胀（不破坏氢键），导致双层结构向LCN一侧弯曲。当相对湿度恢复到初始水平时，结构会恢复到原来的平坦状态。然而，当RH超过玻璃化转变点时，水分子通过与SF链的极性基团相互作用破坏了氢键，导致链变软和重新排列，部分消散了由膨胀产生的内部应力。因此，双层结构最初会向LCN一侧显著弯曲（由于体积膨胀），然后由于应力释放而重新达到平衡曲率。在高湿度去除后，水分子的持续蒸发使双层结构自发地向SF层一侧弯曲，最终达到一个新的平衡状态。SF薄膜的这种独特的湿度响应行为使得双层结构能够进行3D形状变化，为开发具有复杂配置的集成软机器人奠定了基础。

根据这些机制，我们使用矩形条带（18毫米×2毫米）定量评估了双层执行器在光和湿度刺激下的双向驱动性能。与加热结果一致（见图S7），当暴露在蓝光激光（λ=488纳米）照射下时，条带双层执行器表现出快速而明显的光诱导变形，且变形随光强度的增加而增强（见图2d和视频S1）。这种光诱导变形在一系列光强度范围内都是完全可逆的，且驱动响应率随光强度的增加而提高（见图2g）。在不同的RH条件下评估了条带双层执行器的湿度响应行为。当目标RH低于65%时，双层执行器的变形随湿度的增加而增加（见图2e）。当RH恢复到30%时，双层完全恢复到原来的平坦状态（见图2h）。相反，当目标RH超过65%时，双层会表现出不可逆的反向弯曲而不是完全恢复，且剩余的变形曲率随之前施加的湿度水平增加而增加（见图S8）。为了进一步验证这种独特的湿度响应性，我们监测了RH从30%增加到85%时的弯曲行为（见图2f和视频S2）。在85% RH时，由于氢键的破坏，双层会因应力松弛而从其峰值变形状态（瞬态状态）转变为平衡配置（见图2i）。在去除高湿度后，水分子的持续蒸发使双层自发地向SF层一侧弯曲，最终达到一个新的平衡状态。这种独特的湿度响应行为使得双层结构的3D形状变化成为可能，为开发具有复杂配置的集成软机器人奠定了基础。

基于这些机制，我们使用矩形条带（18毫米×2毫米）定量评估了双层执行器在光和湿度刺激下的双向驱动性能。与加热结果一致（见图S7），当暴露在蓝光激光（λ=488纳米）照射下时，条带双层执行器表现出快速而明显的光诱导变形，且变形随光强度的增加而增强（见图2d和视频S1）。这种光诱导变形在一系列光强度范围内都是完全可逆的，且驱动响应率随光强度的增加而提高（见图2g）。在不同的RH条件下评估了条带双层执行器的湿度响应行为。当目标RH低于65%时，双层执行器的变形随湿度的增加而增加（见图2e）。当RH恢复到30%时，双层完全恢复到原来的平坦状态（见图2h）。相反，当RH超过65%时，双层会表现出不可逆的反向弯曲而不是完全恢复，且剩余的变形曲率随之前施加的湿度水平增加而增加（见图S8）。为了进一步验证这种独特的湿度响应性，我们监测了RH从30%增加到85%时的弯曲行为（见图2f和视频S2）。在85% RH时，由于氢键的破坏，双层会因应力松弛而从其峰值变形状态（瞬态状态）转变为平衡配置（见图2i）。在去除湿度后，薄膜表现出明显的反向弯曲以达到其最终固定状态。在此过程中，由于SF链的重新排列导致的变形收缩阻止了SF薄膜内多余水分的完全蒸发，使双层恢复到初始的未变形状态。随着水分的持续蒸发，SF薄膜的进一步收缩驱动双层向SF侧弯曲，直到所有水分完全去除。此时，SF薄膜内新的氢键会自发重组，将系统稳定在最终固定状态。这种双层执行器的驱动性能表现出强烈的几何依赖性，特别是依赖于各层的厚度（见图S9a, b）。当SF层的厚度固定为30微米时，LCN层的厚度从30微米增加到70微米会导致执行器的光诱导弯曲能力逐渐降低，这可能是由于更高的弯曲刚度和降低的热传导效率。相反，当LCN层的厚度固定为50微米时，SF层的厚度从10微米增加到50微米会增强水分子的吸附和吸湿膨胀程度，从而改善执行器的湿度诱导弯曲响应。除非另有说明，本研究中的所有双层执行器都由50微米的LCN层和30微米的SF层组成。此外，双层执行器在光和湿度刺激下表现出高可靠性和长期稳定性。光诱导的驱动在100次开关循环后仍保持一致的弯曲角度，没有显著退化。同样，当RH在30%和65%之间反复循环时，湿度响应的变形也保持稳定（见图S9c）。

虽然SF和LCN层的不同响应性使得双向驱动行为变得有力，但能够调节它们内部的分子取向和排列为在这个双层系统中实现可编程的多自由度驱动提供了重要的机会。我们提供了一个比较表来展示结合这两种材料的功能优势（见表S1）。通过定向切割LCN来修改PA表面的LC畴取向是一种简单而有效的策略，以实现多模态驱动。图3a展示了如何在不同角度切割双层结构以实现光激活的弯曲或卷曲驱动模式。如图3c-i所示，以45°的角度切割双层条带在光照下会引起卷曲变形，而在加湿条件下会引起弯曲变形。除了工程化LCN的分子取向外，水分诱导的分子重新排列以及SF薄膜的形状变形能力弥补了LCN进行热塑性变形的固有局限性，从而实现了具有3D初始配置的执行器设计（见图3b）。为了证明这一点，我们将双层结构制成螺旋形状，有两种不同的配置。在第一种情况下，我们沿着LCN的平行取向方向切割条带并将其制成螺旋结构，SF层位于内层，LCN层位于外层。在加湿过程中，SF薄膜膨胀，导致螺旋展开。相反，激光照射会导致LCN弯曲，使螺旋收缩并收紧（见图3c-ii），产生与图3b中相反的刺激响应变形。在第二种情况下，通过将SF薄膜附着在LCN的HA表面上，并采用与图3c-i相同的方法切割条带，然后将条带制成左旋螺旋，SF层位于内层，LCN层位于外层（见图3c-iii）。在加湿过程中，结构展开；在照射下，它反向卷曲成右旋螺旋。

这种图像的替代文本可能是使用AI生成的。完整尺寸的图像：
a 通过不同LC排列方式剪切的双层执行器的可编程变形行为。
b LCN/SF双层的水分诱导形状变形能力。
c 在光和湿度刺激下五种执行器配置的示意图、实验观察和有限元仿真结果：(i) 以45°角度相对于LC取向切割的条带；
(iii) 在LCN的HA表面上以45°角度切割的带有SF Film的螺旋结构；
(iv) 沿45°方向切割的LCN条带，并在HA表面上以固定间隔附着三个SF贴片；
(v) 通过在水平LCN条带的末端垂直连接两个双层执行器形成的H形结构。光强度：约0.25 W/cm2。刻度尺：5毫米。

除了编码分子结构外，结合模块化组装策略还可以实现更复杂的变形行为。如图3c-iv所示，LCN条带沿45°方向切割后，在LCN的HA表面上以固定间隔附着三个SF薄膜。在加湿过程中，条带表现出“波浪状”变形；而在照射下则形成“S”形配置。另一个例子是通过在水平LCN条带的末端垂直连接两个双层执行器形成的H形结构（见图3c-v）。组装后的执行器在加湿后可以变成3D“拱桥”形状，在激光照射下则会变成反向的3D“耳机”形状，这是由于多个单元的协调运动。

这些发现表明，在这个双层系统中，分子级结构编码和宏观尺度模块化组装的层次化集成可以大大扩展驱动自由度。为了更好地理解双层在光场刺激下的驱动行为，我们进行了有限元分析（FEA）以验证双层展示的各种变形模式。在所有示例中，FEA预测的驱动行为与实验观察结果高度吻合，强调了FEA在捕捉和复制双层在光诱导变形过程中的实际行为方面的准确性和可靠性（见视频S3）。

LCs因其能够动态操纵其超分子结构而广受认可，这种结构赋予了它们独特的各向异性光学特性。为了展示这一点，我们设计了一个“3×3网格”图案，在该图案中，方块1至9中的LC导向剂依次以22.5°的增量（范围从0°到180°）旋转，使用我们的DMD系统可以实现LC导向剂配置的精确空间调制。在这种配置中，方块1、5和9中的初始导向剂要么平行要么垂直，方块3和7中的导向剂以45°定向，而方块2、4、6和8中的导向剂偏离22.5°的整数倍，代表中间状态。因此，在正交偏振下，方块1、5和9的初始状态完全为黑色，方块3和7显示出最大亮度，方块2、4、6和8显示出中间亮度水平（见图4a）。随着样品的旋转，每个方块的亮度会变化，例如，方块1的亮度在0°-180°范围内呈现正弦曲线，如图4b所示。基于这一设计框架，我们展示了复杂光学图案的生成，例如著名的艺术作品《戴珍珠耳环的女孩》和《星夜》，如图4c所示。显然，这些图案以黑白色清晰定义，线条平滑流畅。因此，利用LCs出色的微结构操纵能力，可以通过使用DMD辅助的光图案技术在LCN薄膜上制作全息图。使用我们的实验装置观察到的全息图像结果见图S10。Gerchberg-Saxton算法用于LCN全息图的流程图见图S11。关于全息图成像原理、带有嵌入全息图的LCN的机制以及LCN的DMD辅助光图案过程的详细解释见注释S1–S3。图4d展示了LC导向剂分布、POM纹理以及对应于“Holography”一词的LC全息图像，突显了LCs将复杂微观结构图案编码为按需高保真光学信息的独特能力。

此外，SF层的加入不仅实现了多模态驱动，还为OISRS提供了互补的光学功能。其固有的掺杂-宿主能力，借助水处理技术，允许精确掺入光敏物种以实现可编程的光学响应。UCNPs具有独特的窄发射带宽、长荧光寿命、优越的光稳定性和优异的生物相容性，这使得它们在光子应用中具有极大的优势59,60,61。受益于稀土离子丰富的能级结构，通过调节掺杂类型和浓度，可以精确调节其上转换发光（UCL）的颜色。如图4e所示，在Yb3+/Er3+共掺杂体系中，Er3+离子依次吸收两个来自Yb3+的近红外光子，将电子从基态（4I15/2）激发到绿色发射能级（2H11/2/4S3/2）和红色发射能级（4F9/2）。随后通过辐射跃迁回到基态，产生绿色（520-560 nm）和红色（645-680 nm）的光发射（图4f，左侧）。类似地，Yb3+/Tm3+共掺杂可以实现三光子吸收过程，使Tm3+的蓝光发射1G4能级被激发，通过1G4→3H6跃迁产生475 nm的发射。利用这种光谱可调性，我们开发出了多色UCL纳米颗粒。通过控制Yb3+/Er3+和Yb3+/Tm3+的掺杂比例，合成了均匀的β-NaYF4纳米棒：蓝色（Gd/Yb/Tm：40/18/0.5 mol%）、绿色（Gd/Yb/Er：40/18/2 mol%）、黄色（Gd/Yb/Er：40/58/2 mol%）和红色（Gd/Yb/Er：40/59.95/0.05 mol%）发射体（图4f，右侧）。在我们的体系中，增加有效Yb/Er比例会导致R/G发射比的逐步增加，从而实现颜色从绿色到黄色，最终到红色的转变。关于UCNPs发光颜色调节的详细机制解释见注S4。为了确保与SF基体的均匀混合，UCNPs经过酸洗处理以去除表面油酸配体，使其可溶于水（图S12），从而实现基体内的均匀分散62。将这些UCNPs掺入SF溶液中，可以制备出具有独特蓝色、绿色、黄色和红色UCL的柔性薄膜（图4g）。对发光光谱和衰减曲线的比较分析表明，SF基体不会显著改变UCNPs的发光特性（图S17和注S5）。这一多色平台为使用波长复用的SF基底进行多通道信息编码和加密奠定了基础。

通过将驱动模块与光学功能单元（LCN全息技术单独使用或与UCNP修饰的SF结合）模块化组装，可以构建完全软体的、具有嵌入式光子智能的系统。通过实时光学反馈的整合，其中提取的全息信号直接转化为控制指令，OISRS能够在不依赖外部电子设备输出或人类认知的情况下实现特定任务的运动。更重要的是，只有在我们提供的“指令书”（圆偏振激光照明）的引导下，才能精确提取编码的光学指令，从而增强存储安全性。此外，这里提出的全息编码策略为软体机器人系统中的抗篡改命令传输提供了一种有效方法，比传统的电子控制平台具有明显优势。作为概念验证，我们展示了一种能够通过光学反馈驱动控制实现精确、按需物体操控的交互式软体夹具（图5a）。我们制造了一个四臂软体夹具，每个臂都由经过高湿度处理的LCN/SF双层结构组成。这些臂安装在一个嵌入了光图案化LC相位全息图的圆形LCN薄膜基座上，用于存储和显示指令信息（图5a，顶部）。由于LC出色的图案编码能力，生成的全息图像与设计高度一致，质量足够高，足以支持后续操作中的可靠指令传递（图5b）。此外，LCN/SF双层的良好光响应性使夹具能够在光照下从初始的湿度诱导闭合状态扩展到完全展开状态，从而确保有效的抓取能力。

图5：一种用于物体分类的交互式软体机器人夹具。

这种图像的替代文本可能是通过AI生成的。

**完整尺寸图片：**
a. 通过全息反馈驱动控制实现精确按需抓取和分类的夹具示意图。
b. 对应于设计任务的LC导向器分布、POM纹理和全息图像。刻度尺：75 μm。
c. 夹具在关闭状态（左）和光照下的展开状态（右）。刻度尺：1 cm。
d. 使用软体夹具进行定位、抓取、转移和释放的整个过程。光强度：约0.25 W/cm2。刻度尺：1 cm。

抓取任务可以在全息编码指令信号的指导下准确执行。整个抓取过程在图5a的底部说明，并在图5d和Movie S5中实物展示。首先，夹具被定位在蓝色立方体上方。当蓝光照射时，夹具的臂会展开，并在光照停止后立即抓住立方体（步骤1，①-②）。然后物体被提升并转移到蓝色盒子的目标位置（步骤2-3，③-④）。在整个转移过程中，SF薄膜的强形状固定能力保持了抓取的稳定性，大大简化了夹具的操作。最后，当再次暴露在光线下时，夹具重新打开，释放立方体，使其落入蓝色盒子中，同时夹具恢复到初始状态（步骤4，⑤-⑥）。这一演示明确证明了我们的OISRS能够实现光控命令传输和任务执行，为开发完全光智能的软体机器铺平了道路。

**集成有分层加密全息指令的行走机器人用于迷宫逃脱**

对于需要严格指令保密性的敏感任务操作，应建立多层次、多路复用的加密策略以实现高级安全保护。执行终端必须依次解码每一层加密才能访问最终的有效指令。为此，我们可以在软体机器人中集成全息投影、荧光发射和3D变形技术，通过多模态信号耦合实现加密命令的隐蔽嵌入和可控解码。为了演示这一概念，我们开发了一个能够导航迷宫的机器人，该机器人集成了分层加密的光学信息。

这种OISRS采用了“加密-显示-处理-执行”的工作流程模块化架构。在信息加密模块中，四个三角形的LCN/SF双层结构被设计、塑形并组装成一个封闭的、类似花朵的结构。UCNPs显示出四种不同的激发依赖性荧光颜色，预嵌入到花朵花瓣的SF薄膜层中（图6a-i）。对于全息图模块，开发了一个基于LC的全息盘，其中包含四个不同的LC全息图，每个都能显示独特的指令信息（图6a-ii）。最后，对于信息执行模块，设计了一个具有四个向外展开对齐的LCN/SF腿的软体机器人行走器，模仿海星的外形，以实现平稳的全向爬行（图6a-iii）。我们制造的行走机器人质量为14.2 mg，尺寸为长度1.5 cm、宽度1.5 cm和高度5 mm（关闭状态）。

图6：一种用于迷宫逃脱的分层加密、交互式行走机器人。

这种图像的替代文本可能是通过AI生成的。

**完整尺寸图片：**
a. 行走机器人的分层设计示意图，包括加密、全息图和驱动模块。
b. 根据四个解密后的指令消息进行的迷宫逃脱过程示意图。
c. 在水雾下，花朵结构从闭合状态变为开放状态的转变，暴露出底层的全息图模块。刻度尺：5 mm。
d. 超连续谱激光提取的四个全息命令，这些命令分别对应于在980 nm激光照射下四个花瓣的荧光发射。
e. 在不同读取序列下，根据四种颜色编码指令的行走机器人运动轨迹和逃脱结果。
f. 由488 nm激光驱动的行走机器人的运动轨迹。刻度尺：5 mm。
g. 激光照射次数函数下腿的横向位移。
h. 根据特定路径引导指令，行走机器人逃离迷宫的数字照片（插图）。刻度尺：2 cm。

通过逐步解码LCN全息图中编码的四个命令消息并获取预定义的秘密代码，OISRS可以成功引导其从迷宫中逃脱（图6b）。具体来说，花朵结构最初处于闭合的花蕾状态，在水雾照射下会展开（图6c，第一层加密）。一旦展开，可以使用圆偏振超连续谱激光投射盘中的LCN超结构中的四个全息命令（图6d，第二层加密）。随后，在980 nm激光照射下，可以提取每个花瓣的荧光发射，这些荧光发射分别对应于四种全息图案之一（第三层加密）。最后，从荧光颜色序列（B, G, Y, R）中得出的安全密钥（第四层加密）解码出一组独特且经过验证的路径引导指令。由于LC超结构在多个波长下的高全息效率和SF薄膜的宽光谱、高透射率（图S13），全息命令可以在宽光谱范围内稳定显示和高效传输（图S14），从而增强了系统的环境适应性。总体而言，这种OISRS建立了四层加密架构，显著提升了命令信息的安全性，防止未经授权的访问尝试。关于四个花瓣的功能和整个加密过程的更详细解释见注S6。

基于验证的命令信号，我们随后研究了OISRS的信息执行行为。为此，我们首先检查了这种软体机器人的光驱动驱动性能。当LCN腿部的一端受到照射时，它会向下弯曲，从而在结构内部产生不对称的弹性能量积累（图S15）。移除光源后，储存的弹性能量释放，导致整个系统向另一端发生宏观位移。例如，为了实现向左移动，会选择性地激活右侧的LCN腿部，导致大约3.5 mm的横向位移（图6f）。在周期性光刺激下，OISRS随着照射周期的增加而表现出线性累积位移（图6g），显示出其驱动性能的稳定性和连续性。在x-y平面上记录的四个不同轨迹进一步证明了其在所有方向上的稳定移动（图6h）。在不同光强度下，机器人的移动速度有所不同，在我们的实验条件下最高速度约为1.33 mm/s（图S16）。通过协调这些驱动组件的操作，我们成功地驱动行走机器人导航并逃离了迷宫，实现了设计目标（图6i和Movie S6）。

**讨论**

总之，我们成功地将LC全息技术确立为一种有前景的方法，用于增强软体机器人的非电子化、高功能密度和安全的信息存储与处理能力。可编程的LC聚合物和多功能生物聚合物材料的独特组合不仅创建了一个统一的平台，同时实现了多自由度驱动和高容量的光信息复用，而且还通过利用它们的固有生物相容性，为在生物技术界面运行的生物混合机器人系统打开了新的机遇63,64,65,66,67。在微观尺度上精确控制相位全息图的能力为光学交互式微机器人技术开辟了新的可能性。此外，LC计算全息技术的进步，以其高分辨率、实时动态和多维控制为软体机器人的光交互智能提供了显著提升。

此外，通过整合实时光敏反馈，这种OISRS有望在自主性、精确性和适应性方面实现突破，弥合了人工系统与生物智能之间的差距。特别是，将驱动和信息处理集成在生物相容的软物质架构中，可能实现一种独特的应用场景：协作式光学机器人微手术。在这个设想的生态系统中，外部医生机器人（在我们的工作中未展示）与植入的软体微代理（我们的OISRS）交互，以在电子设备不实用的环境中进行精确治疗（例如，磁共振成像引导的程序）。工作流程依赖于一种独特的“光握手”：（i）注入后，微代理利用湿度响应性变形在组织内固定；（ii）宏机器人通过基于UCNP的荧光加密验证代理的身份，防止医疗错误；（iii）根据全息状态反馈，宏机器人触发光驱动的驱动以实现靶向药物释放或抓取。然而，我们认识到将这一愿景变为现实面临挑战。虽然近红外上转换提供了更好的穿透性，但LCN的驱动波长需要进一步优化，以接近生物透明窗口（NIR-I或NIR-II），以减少组织损伤和信号衰减。或者，这种光学相互作用策略可以通过微创接口实现，例如光纤导管或内窥镜，它们可以直接在目标位置传递激发光并收集全息/荧光信号。随着智能机器人时代的到来，未来的版本预计将解决这些限制。这项工作为开发下一代全光学智能、完全柔软的机器人技术提供了一种变革性的范式，将自适应的机械性能与先进的光学信息处理结合起来。

**材料和方法**
RM257和RM105（液晶单体）从中国HCCH购买。DR1A从Sigma-Aldrich购买。光引发剂Irgacure 651从中国KingChem购买。5CB从南京莱澳科技有限公司购买。SD1从日本大日本油墨化学公司购买。DMOAP（60%重量比甲醇）从Aladdin购买。家蚕茧从南通的当地农民那里购买。碳酸钠（Na2CO3，99.5%）从中国医药化学试剂有限公司购买。溴化锂（LiBr，99%）从Macklin Biochemical有限公司购买。三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷（97%）从徐州生物科技有限公司购买。YCl3·6H2O（99.99%微量金属含量）、YbCl3·6H2O（99.99%微量金属含量）、ErCl3·6H2O（99.99%微量金属含量）、TmCl3·6H2O（99.99%微量金属含量）和油酸（90%）从Sigma-Aldrich购买。NaOH（99.9%金属含量）、NH4F（≥99.99%金属含量）从Aladdin购买。乙醇（≥99.8%）和HCl（36.0~38.0%）从中国医药化学试剂有限公司购买。

**splay细胞的制备**
为了诱导平面分子排列，预先清洁的玻璃基底通过旋涂法涂覆了光取向剂SD1。对于单向光取向，基底在强度为3.86 mW cm-2的线偏振光（405 nm，Thorlabs M405P1）下照射15分钟。液晶分子的取向由入射光的偏振方向决定。对于向列锚定，预先清洁的玻璃基底在3% v/v DMOAP水溶液中浸泡30分钟，然后在100°C下烘烤10分钟。splay细胞是通过将一个平面排列的基底和一个向列处理的基底配对来组装的，细胞间隙由50 μm厚的垫片定义。

**splay结构LCN薄膜的制造**
所有样品中使用的LCN前驱体混合物包含37%重量比的RM257、60%重量比的RM105、2%重量比的DR1A和1%重量比的Irgacure 651。向该混合物中添加了5CB，占LCN组分总质量的20%重量比。所有混合物加热至100°C达到各向同性相，搅拌1小时后注入splay排列的细胞中。填充的细胞以约1°C min-1的控速冷却至45°C，然后在365 nm下进行UV照射（Herolab，约6 mW·cm-2）1小时以引发交联。聚合后，用刀片打开细胞以获得独立的LCN薄膜。

**带有相位全息图的LCN薄膜的制备**
将两个涂有SD1的玻璃基底组装成一个细胞，厚度由10 μm厚的垫片控制。对于图案化光取向，将空细胞放置在基于数字微镜装置的微光刻系统的像平面上，通过多步骤、部分重叠的曝光过程并同步控制偏振来记录液晶分子的分布图案。随后，按照上述相同程序制备带有相位全息图的LCN薄膜。

**SF溶液和薄膜的制造**
再生SF溶液是通过使用既定协议从家蚕茧中提取的68。简要来说，将蚕茧切成小块，在Na2CO3（0.02 M）溶液中煮沸30分钟，然后用去离子水彻底洗涤以去除丝胶。在空气中干燥2天后，将脱胶的丝纤维溶解在9.3 M LiBr溶液中60分钟。之后，将溶解的SF用分子量截断为3500的透析袋在去离子水中透析3天。通过以11,000 rpm离心20分钟，然后使用无尘纸过滤两次，得到浓度约为6-7%重量比的SF溶液。通过将一定体积的SF溶液（根据目标厚度调整体积）沉积在经过三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷处理的硅片上，然后在室温下干燥过夜，制备出非晶SF铸膜。

**无配体掺杂镧系元素的NaYF4纳米棒的合成**
在典型的镧系元素掺杂NaYF4纳米棒合成过程中，将1.5 mL的NaOH水溶液（0.3 g NaOH）与5 mL乙醇和5 mL油酸在连续搅拌下混合。随后，选择性地加入2 mL的RECl3溶液（0.2 M；RE = Y, Yb, Er, Tm, Gd）和1 mL的NH4F溶液（2 M）。将所得混合物转移到20 mL的Teflon内衬高压釜中，在200°C下加热2小时。收集得到的纳米棒后，用水和乙醇多次洗涤。发出蓝光、绿光、黄光和红光的纳米棒的组成分别为NaYF4:Gd/Yb/Tm（40/18/0.5 mol%）、NaYF4:Gd/Yb/Er（40/18/2 mol%）、NaYF4:Gd/Yb/Er（40/58/2 mol%）和NaYF4:Gd/Yb/Er（40/59.95/0.05 mol%）。为了去除配体，将大约10 mg的油酸封端的纳米棒分散在0.75 mL乙醇中，并用超声处理，然后与0.75 mL的1 M HCl水溶液混合。混合物超声处理1分钟后，以16,000 rpm离心15分钟。重复酸处理两次以确保完全去除配体。纯化的纳米棒进一步用乙醇洗涤后重新分散在水中以供后续使用。需要注意的是，HCl的浓度可以根据纳米材料的类型进行调整。

**样品表征**
样品的照片和视频使用数码相机（EOS 850D，Canon，日本）记录。POM纹理通过偏振光学显微镜（DM2700P，Leica，德国）拍摄。使用超连续激光器（SuperK EVO，NKT Photonics，丹麦）结合多通道声光可调滤光片（SuperK SELECT，NKT Photonics，丹麦）作为激光源来照射LCN全息图，全息图像由CCD相机（E3ISPM12000KPB，广州威宇光学仪器，中国）记录。双层结构的形态使用场发射扫描电子显微镜（ULTRA 55，Zeiss，德国）在5 kV电压和10 μA电流下观察。NaYF4纳米棒的形态使用透射电子显微镜（JEOL/JEM-1400FLASH，日本）观察。使用488 nm激光（MW-GX-488，长春激光光电技术有限公司，中国）进行光驱动激活。样品的光热诱导温度变化由红外相机（628 C，Fotric Inc., China）记录。使用980 nm激光（MDL-XF-980，长春激光光电技术有限公司，中国）进行上转换发光。水蒸气使用封闭的热水浴装置（NK-420，Nuoji Instrument，中国）生成，其中温度和水蒸气的量可以精确设置和维持。使用加湿器（buresBE-J001，Bures，中国）生成水雾。双层条带的弯曲角度和曲率通过ImageJ进行分析。