南大造出光學(xué)智能軟體機(jī)器人，無(wú)需電池，一束激光就是全部指令

沒(méi)有芯片，沒(méi)有電池，靠一束激光就能讓機(jī)器人讀懂任務(wù)指令？最近，南京大學(xué)馬玲玲/王瑜/陸延青團(tuán)隊(duì)在 Light: Science & Applications 上發(fā)表了一篇論文成果，他們用液晶全息術(shù)給軟體機(jī)器人造了一個(gè)光學(xué)大腦。

這個(gè)大腦藏在一種特制的薄膜里，激光照上去就能投影出指令圖案，操作者看著圖案就知道該怎么操控機(jī)器人。論文中，他們展示了兩個(gè)原型設(shè)備，一個(gè)智能抓手能按指令抓取和分類(lèi)物體，另一個(gè)行走機(jī)器人能在全息指令引導(dǎo)下走出迷宮。

共同通訊作者馬玲玲研究員和第一作者張子宸告訴 DeepTech，這項(xiàng)研究的出發(fā)點(diǎn)來(lái)自于該團(tuán)隊(duì)對(duì)軟體機(jī)器人現(xiàn)狀的觀察。軟體機(jī)器人已經(jīng)很成熟了，它們?nèi)嵝院谩⒛茏冃巍⑦m應(yīng)能力強(qiáng)，可以完成很多復(fù)雜任務(wù)。

不過(guò)當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)在任務(wù)指令的生成和解讀方面，仍然依賴(lài)外部硬件控制或者人的直接操作。機(jī)器人本身沒(méi)有信息存儲(chǔ)能力，也無(wú)法反過(guò)來(lái)告訴操作者該執(zhí)行什么任務(wù)、怎么執(zhí)行。因此，該團(tuán)隊(duì)想做這樣一個(gè)系統(tǒng)，讓機(jī)器人自己帶著說(shuō)明書(shū)，操作者看一眼就知道該怎么做。

圖 | 左至右魏陽(yáng)；馬玲玲；陸延青；張子宸；王瑜；王澤宇

他們選了兩個(gè)材料。第一個(gè)是液晶聚合物，它可以用激光在里面刻錄全息圖案。第二個(gè)是絲素蛋白，就是從蠶繭里提取的天然材料，它遇水蒸氣會(huì)塑形，還能摻雜發(fā)光物質(zhì)。液晶聚合物能被激光驅(qū)動(dòng)，絲素蛋白對(duì)濕度敏感，兩者疊在一起就變成了一個(gè)雙響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)光照它，它會(huì)朝一邊彎；當(dāng)加濕它，它會(huì)朝另一邊彎。這樣一來(lái)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器就能做出兩種不同的動(dòng)作。

研究中，他們先用一種叫 DMD 的光刻系統(tǒng)，把設(shè)計(jì)好的全息圖案寫(xiě)到液晶里。液晶分子會(huì)根據(jù)圖案的方向重新排列，形成特定的微結(jié)構(gòu)。當(dāng)圓偏振激光打上去時(shí)，這些微結(jié)構(gòu)就會(huì)投射出預(yù)設(shè)的圖案，比如文字或者圖形。這就像把一張全息照片刻進(jìn)了一張塑料薄膜里，隨時(shí)可以用激光讀取。

（來(lái)源：Light: Science & Applications）

絲素蛋白薄膜也有自己的用處，該團(tuán)隊(duì)在里面摻雜了四種不同的上轉(zhuǎn)換納米顆粒，這些顆粒在近紅外激光照射下會(huì)發(fā)出藍(lán)、綠、黃、紅四種顏色的熒光。不同顏色的熒光對(duì)應(yīng)不同的信息，就像給機(jī)器人配了一套彩色密碼本。而且絲素蛋白吸收高濕度水蒸氣后脫水干燥即可實(shí)現(xiàn)塑形，這能讓機(jī)器人保持住某個(gè)姿勢(shì)，不需要持續(xù)供能。

他們做了一個(gè)智能抓手來(lái)驗(yàn)證這套系統(tǒng)的實(shí)用性。抓手有四條手臂，每條手臂都是液晶聚合物和絲素蛋白的雙層結(jié)構(gòu)。抓手最初是閉合的，因?yàn)橹敖?jīng)過(guò)了高濕度處理。

實(shí)驗(yàn)中他們先用激光照射抓手，手臂受熱張開(kāi)。然后把抓手移到物體上方，關(guān)掉激光，手臂冷卻閉合，穩(wěn)穩(wěn)抓住物體。轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置后，再用激光照射一次，手臂張開(kāi)釋放物體。整個(gè)過(guò)程只需要一束激光，只需照著全息圖案的提示做就行，不需要編程也不需要按按鈕。

更精妙的設(shè)計(jì)體現(xiàn)在抓手的全息指令系統(tǒng)上，該團(tuán)隊(duì)在抓手的底座上嵌入了一圈全息圖案，每種圖案對(duì)應(yīng)不同的抓取指令。比如激光照出一個(gè)方塊的圖案，就意味著該去抓方塊。

照出一個(gè)圓形的圖案，就該去抓圓形。操作時(shí)只需看著投影出來(lái)的圖案就知道目標(biāo)是什么，絕對(duì)不會(huì)弄錯(cuò)。這個(gè)設(shè)計(jì)把信息存儲(chǔ)和任務(wù)指引融合到了機(jī)器人本體上，能夠?qū)崿F(xiàn)傻瓜式操作。

第二個(gè)演示是一個(gè)能走出迷宮的行走機(jī)器人。他們做了一個(gè)四足機(jī)器人，每條腿都是液晶聚合物和絲素蛋白的雙層結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的身體中央有一個(gè)全息圓盤(pán)，上面刻了四組不同的全息指令。圓盤(pán)上面蓋了一個(gè)花瓣形狀的蓋子，這個(gè)蓋子也是雙層結(jié)構(gòu)做的，平時(shí)是閉合的。先噴一點(diǎn)水霧，蓋子受潮濕張開(kāi)，露出下面的全息圓盤(pán)，由此形成了第一層加密。

（來(lái)源：Light: Science & Applications）

然后用超連續(xù)激光照射圓盤(pán)，全息圖案投影出來(lái)，每組圖案對(duì)應(yīng)一個(gè)方向指令。不過(guò)光看到圖案還不夠，他們還加了第二道鎖。蓋子的四個(gè)花瓣里分別摻了四種不同的上轉(zhuǎn)換顆粒，在近紅外激光下會(huì)發(fā)出藍(lán)、綠、黃、紅四種顏色的熒光。這時(shí)需要按順序讀取四個(gè)花瓣的熒光顏色，這個(gè)顏色序列才是真正的密鑰。四種顏色總共有 256 種排列組合，只有按指定順序才能拿到有效指令。

該團(tuán)隊(duì)把密鑰設(shè)成了紅、綠、黃、藍(lán)這個(gè)序列，期間他們依次提取四個(gè)熒光顏色，拿到對(duì)應(yīng)的四個(gè)全息指令，然后按照指令順序操控機(jī)器人。先向前，再左轉(zhuǎn)，再右轉(zhuǎn)，再向前，機(jī)器人就這樣一步步走出了迷宮。四層加密分別是濕度觸發(fā)的開(kāi)蓋、全息圖案的投影、熒光顏色的提取、顏色序列的校驗(yàn)，每一層都必不可少。

機(jī)器人的腿是間隔排列的，激光照在某條腿的根部，那條腿就會(huì)向下彎曲。關(guān)掉激光后，腿恢復(fù)原狀時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回彈力，推動(dòng)整個(gè)身體向反方向移動(dòng)。想往左走就照右邊的腿，想往右走就照左邊的腿。一次照射大概能移動(dòng) 3.5 毫米，反復(fù)照射就能連續(xù)移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，他們測(cè)試了不同方向的行走軌跡，證明機(jī)器人可以穩(wěn)定地朝四個(gè)方向移動(dòng)。

這套系統(tǒng)的硬件成本很低，操作時(shí)需要的只是一束相干光，質(zhì)量好一點(diǎn)的激光筆就能投影出全息圖案，幾十塊到幾百塊錢(qián)就能買(mǎi)到。不需要昂貴的激光器，也不需要復(fù)雜的電子設(shè)備，一束光一把激光筆就能完成全部操作。

采訪中，該團(tuán)隊(duì)向 DeepTech 展望了幾個(gè)應(yīng)用方向。一個(gè)是醫(yī)療場(chǎng)景，可以把機(jī)器人做得很小，讓它進(jìn)入人體內(nèi)部做微創(chuàng)手術(shù)。他們所使用的 488 納米可見(jiàn)光和 980 納米近紅外激光都可以穿過(guò)人體組織，只要控制好功率和功率密度就行。

另一個(gè)是極端環(huán)境探索，比如黑暗的山洞或者深海，硬件機(jī)器人體積大進(jìn)不去，小型的軟體機(jī)器人可以鉆進(jìn)去。還有一個(gè)是軍事領(lǐng)域，多層加密的設(shè)計(jì)天然適合傳遞敏感指令，即便被截獲也破解不了。

（來(lái)源：Light: Science & Applications）

同時(shí)，他們也在考慮如何讓這項(xiàng)技術(shù)走進(jìn)普通人的生活。第一作者張子宸目前正在做兩件事，一是把機(jī)器人做得更小，用于體內(nèi)環(huán)境，二是把機(jī)器人做得更大，做成具有自動(dòng)化能力的交互系統(tǒng)。

該團(tuán)隊(duì)也在和工業(yè)界接觸，尋找具體的應(yīng)用場(chǎng)景，比如把柔性材料和執(zhí)行功能用到汽車(chē)?yán)铩堊渝吠嘎叮壳罢谘芯抗鈱W(xué)穿透性和體內(nèi)環(huán)境適配的問(wèn)題，后續(xù)的工作已經(jīng)在推進(jìn)中。

這套系統(tǒng)的核心價(jià)值在于，它把信息存儲(chǔ)和處理能力從外部的電腦和電路搬到了機(jī)器人本體上。機(jī)器人不再是傻乎乎的被動(dòng)手臂，它自己帶著說(shuō)明書(shū)，帶著密碼鎖，操作者只要有一束光就能解鎖任務(wù)。

液晶全息術(shù)給了軟體機(jī)器人一種全新的交互方式，不用電，不用芯片，只用光。這種非電子化的信息處理方式，在那些不能用電或者不方便用電的場(chǎng)景里，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（來(lái)源：Light: Science & Applications）

目前，液晶全息術(shù)賦能軟體機(jī)器人這個(gè)方向才剛剛起步。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來(lái)隨著液晶全息技術(shù)向高分辨率、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和多維控制發(fā)展，軟體機(jī)器人的光學(xué)交互智能水平會(huì)越來(lái)越高。

這種將自適應(yīng)機(jī)械性能與復(fù)雜光學(xué)信息處理融合的思路，為下一代全光學(xué)智能軟體機(jī)器人提供了新的設(shè)計(jì)路徑。也許有一天，一個(gè)不需要電池、不需要聯(lián)網(wǎng)、只靠一束光就能聽(tīng)話(huà)的小機(jī)器人將能進(jìn)入尋常百姓家。

參考資料：

相關(guān)論文https://www.nature.com/articles/s41377-026-02287-5#Sec17

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成