Универсальные оптично‑интерактивные мягкие роботы с встроенной голографией на жидких кристаллах

Мягкие роботы, которые «разговаривают» со светом

Представьте мягкого, податливого робота, который не только движется при освещении, но и «сообщает» вам, что он собирается сделать, с помощью скрытых световых узоров. В этом исследовании представлена именно такая система: мягкие роботы, которые хранят, шифруют и передают команды с помощью света, одновременно выполняя сложные движения. Работа указывает путь к будущим машинам, которые будут вести себя больше как живые существа, имея встроенную «нервную систему» из умных материалов вместо проводов и микросхем.

Зачем мягким роботам встроенный «мозг»

Большинство современных мягких роботов полагаются на громоздкую внешнюю электронику или на прямое человеческое решение при выборе задач и способа их выполнения. Они могут быть гибкими и безопасными для прикосновения, но им не хватает внутреннего центра, который мог бы хранить и управлять информацией так, как это делает мозг у животного. Это означает, что они не в состоянии самостоятельно направлять оператора при выполнении задачи или надежно сохранять план миссии внутри собственного тела. Авторы поставили цель создать мягкого робота, где информация и движение тесно связаны, так что команды, обратная связь и действия обрабатываются в единой полностью мягкой системе.

Два специальных материала, работающие как одно целое

Ключевым является продуманное сочетание двух тонких пленок: сети жидких кристаллов, сильно реагирующей на свет, и шелкового фиброина — белка из коконов тутового шелкопряда, чувствительного к влажности. Сложенные в билерный слой, эти пленки изгибаются в противоположные стороны под воздействием света или влажности, позволяя роботу сворачиваться, скручиваться, крутиться и даже принимать трехмерные формы. Выбирая толщину пленок, направление реза и способ сборки сегментов, исследователи программируют широкий набор движений — от простых изгибов до спиральных пружин и сложных многосегментных структур. Такое сочетание преодолевает ограничения каждого материала по отдельности, обеспечивая мягкие элементы с множеством степеней свободы и долговременной стабильностью при многократном использовании.

Голограммы, скрытые внутри мягкого материала

Кроме движений, та же жидкокристаллическая матрица микроориентирована для хранения голограмм — световых изображений, которые проявляются при освещении пленки соответствующим образом. С помощью цифровой микрозеркальной системы команда записывает сложные узоры в ориентацию молекул жидкого кристалла, превращая их в твердые пленки, проецирующие четкие голографические изображения при подсветке. Одновременно слой шелка легируют специальными наночастицами, светящимися в разных цветах при возбуждении невидимым ближним инфракрасным светом. Смешивая частицы повышающего люминесцентность синего, зеленого, желтого и красного цветов в шелк, исследователи получают гибкие пленки, которые светятся различными оттенками без потери механических свойств. В совокупности голографический жидкий кристалл и светящийся шелк образуют полностью оптическую информационную единицу, способную кодировать, скрывать и обнаруживать команды в нескольких слоях.

Мягкие машины, следующие скрытым световым указаниям

Чтобы продемонстрировать работу этой идеи на практике, команда создала два демонстрационных робота. Первый — захват с четырьмя «руками», основание которого несет голографическую пленку. При освещении специальным световым узором основание проецирует изображение, визуально поясняющее задачу — например: захватить синий блок и поместить его в соответствующую коробку. Оператор декодирует эту проекцию и затем использует отдельный световой луч для нагрева билерных рычагов, заставляя их раскрываться и сжиматься, чтобы захватить, поднять, переместить и отпустить объект по требованию. Во втором примере к крошечному четырехногому «ходунку» присоединена раковина в виде цветка с окрашенными шелковыми лепестками и центральным голографическим диском. Пар сначала раскрывает «цветок», обнажая скрытые голограммы. Кругово поляризованный свет затем выявляет четыре разные голографические картины, каждая из которых связана с определенным цветом лепестка, проявляющимся при инфракрасном возбуждении. Только одна конкретная последовательность цветов соответствует правильному пути через лабиринт. После расшифровки оператор направляет ходунка, выборочно освещая его ножки, заставляя его ползти в разные стороны и выйти из лабиринта по предписанному маршруту.

Что это значит для будущих умных инструментов

Проще говоря, эта работа показывает, как наделить мягких роботов телом и памятью, полностью состоящими из откликающихся материалов. Свет выступает универсальным языком: он записывает и скрывает инструкции, позволяет роботу показать их пользователю и питает движения, выполняющие задачу. Поскольку строительные блоки — полимеры на основе жидких кристаллов и шелк — совместимы с биологическими системами, авторы предполагают появление в будущем медицинских микророботов, которые могли бы оптически направляться и аутентифицироваться внутри организма, там, где традиционная электроника затруднена. Хотя для реальных применений потребуются более глубокая проникающая способность света и дальнейшая доводка материалов, это исследование прокладывает новое направление для мягких машин, которые думают и действуют посредством световых «разговоров», встроенных прямо в их гибкие структуры.

Цитирование: Zhang, ZC., Wei, Y., Wang, ZY. et al. All-in-one optically interactive soft robots with embedded liquid crystal holography. Light Sci Appl 15, 219 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02287-5

Ключевые слова: мягкая робототехника, голография, жидкие кристаллы, шелковые биоматериалы, светоуправляемое приведение в движение

Подробнее на сайте исследовательской группы: https://light.nju.edu.cn/index