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  在自然界中，魚群和鳥群展現(xiàn)出協(xié)調(diào)一致的群體運(yùn)動(dòng)，啟發(fā)了人們對(duì)自組織行為的研究。然而，要在無需電子控制的軟體系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)類似的自主、可編程群體運(yùn)動(dòng)仍是一大挑戰(zhàn)。關(guān)鍵科學(xué)問題在于：如何設(shè)計(jì)具備穩(wěn)定自驅(qū)動(dòng)力的單元結(jié)構(gòu)，以及如何通過結(jié)構(gòu)耦合實(shí)現(xiàn)方向性運(yùn)動(dòng)。

圖1. 系統(tǒng)概念與材料組成。

  近期，芬蘭坦佩雷大學(xué)郭洪爽博士基于熱致液晶彈性體材料，提出了一種結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的全軟體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了熱驅(qū)動(dòng)的可編程群體運(yùn)動(dòng)行為（圖1）。研究中，研究者首先構(gòu)建了可在熱梯度下實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的環(huán)狀液晶彈性體結(jié)構(gòu)（圖2），系統(tǒng)研究了單個(gè)環(huán)、兩個(gè)環(huán)連接以及三個(gè)環(huán)連接后的不同運(yùn)動(dòng)特性。單個(gè)環(huán)可持續(xù)旋轉(zhuǎn)但無質(zhì)心位移，而雙環(huán)間的機(jī)械耦合可引發(fā)整體旋轉(zhuǎn)行為（圖3）；當(dāng)連接數(shù)增加至三個(gè)，特定連接手性（??或??）可誘導(dǎo)出方向性平移，實(shí)現(xiàn)仿生群體運(yùn)動(dòng)（圖4）。進(jìn)一步地，研究還提出了后編程策略，可通過簡單翻轉(zhuǎn)環(huán)體實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的可逆調(diào)控，大幅提升了軟體系統(tǒng)的可控性與可重構(gòu)性。該研究揭示了結(jié)構(gòu)連接關(guān)系在全軟體自驅(qū)系統(tǒng)中對(duì)運(yùn)動(dòng)行為的主導(dǎo)作用，為無電子控制的智能軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了新的思路。相關(guān)成果以“ Emergent Locomotion in Self-Sustained, Mechanically Connected Soft Matter Rings”為題發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。

圖2. 單個(gè)環(huán)的基本特征。

圖3. 兩個(gè)環(huán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖4. 三個(gè)環(huán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

  該工作是郭洪爽博士近年來圍繞智能液晶彈性體材料合成與功能構(gòu)建研究的最新進(jìn)展之一。液晶彈性體作為一種具有刺激響應(yīng)性的智能材料，其結(jié)構(gòu)–性能關(guān)系的精細(xì)調(diào)控一直是實(shí)現(xiàn)高階功能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為此，郭洪爽博士聚焦于光、熱等刺激下的形變響應(yīng)，發(fā)展了系列新型液晶彈性體構(gòu)筑策略，構(gòu)建出可實(shí)現(xiàn)可逆形狀記憶與自主驅(qū)動(dòng)的智能系統(tǒng)。在前期工作中，其提出利用鹵鍵構(gòu)筑可編程、可重塑的液晶彈性體網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)了體溫響應(yīng)形狀記憶液晶彈性體與適溫編程液晶彈性體（Nat. Commun. 2022，13, 7436.；Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202309402. ； Adv. Mater. 2024, 36, 2303740.），并探索了其在變形驅(qū)動(dòng)器中的可控運(yùn)動(dòng)行為（Multifunct. Mater. 2022, 5, 024001.；Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108919.）。此外，其還基形狀記憶功能與光響應(yīng)結(jié)合，制備多功能執(zhí)行器（Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2312068. ；J. Mater. Chem. B, 2025, 13, 1704-1711.）。本項(xiàng)工作進(jìn)一步提出利用環(huán)狀結(jié)構(gòu)之間的機(jī)械耦合，實(shí)現(xiàn)無需編程控制的群體自組織運(yùn)動(dòng)，展示了結(jié)構(gòu)連接方式在驅(qū)動(dòng)行為調(diào)控中的重要作用，推動(dòng)了全軟體、自驅(qū)動(dòng)材料體系的功能邊界。

  論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202503519?af=R