西北工業(yè)大學(xué)葉濤教授ACS Nano：開發(fā)光纖波導(dǎo)光致動器，實現(xiàn)公里級多關(guān)節(jié)空間操控

在空間碎片主動清除與在軌服務(wù)等深空探索任務(wù)中，高性能機器人系統(tǒng)面臨著極端環(huán)境下的安全、精確和節(jié)能操作需求。傳統(tǒng)剛性機器人系統(tǒng)存在操作距離短、發(fā)射體積/重量大、能量利用效率低等局限，而復(fù)雜動態(tài)的空間環(huán)境中，電磁干擾、障礙物及極端熱環(huán)境進一步加劇了剛性機器人的操作難度。盡管柔性光致動器因具備抗電磁干擾、安全操作及波長可調(diào)諧等優(yōu)勢而備受關(guān)注，但現(xiàn)有光致動器多依賴自由空間光照射，存在操控距離短（米級）、光斑位置控制精度要求高或能量傳輸系統(tǒng)體積龐大等問題。如何實現(xiàn)兼具高魯棒性、高穩(wěn)定性、功能可編程性及長距離多關(guān)節(jié)操控能力的柔性光波導(dǎo)致動器，成為空間操控領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。

近日，西北工業(yè)大學(xué)葉濤教授和新加坡南洋理工大學(xué)魏磊教授等國內(nèi)外科研人員合作，首次開發(fā)出一種基于光纖彎曲損耗特性的光纖波導(dǎo)光致動器。該致動器利用光纖彎曲損耗特性，實現(xiàn)內(nèi)部光功率與外部熱敏材料的高效耦合，其光吸收率高達98.9%，具備可編程光功率供給能力，可實現(xiàn)超過200°的大彎曲角度，并能在公里級尺度上沿光纖實現(xiàn)串聯(lián)多關(guān)節(jié)級聯(lián)操控，能量消耗低至17 mW/°和53 mW/mN。該致動器展現(xiàn)出優(yōu)異的變形與力穩(wěn)定性，抗電磁干擾性能（性能變化<5.5%）及寬溫區(qū)耐受性（-196至175°C），完全契合空間操控的應(yīng)用需求。相關(guān)論文以“Fiber Waveguide Photoactuator for Long-Distance Polyarticular Manipulation”為題，發(fā)表在ACS Nano上。

研究團隊通過深入探究光纖彎曲損耗的多物理場耦合機理，揭示了光致動器的能量轉(zhuǎn)換過程。實驗結(jié)果表明，在962 nm波長光照下，摻雜多壁碳納米管的PDMS層光熱轉(zhuǎn)換效率達到約98.9%。有限元分析顯示，當(dāng)環(huán)境溫度從室溫升高至100°C時，雙層結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著曲率變化。在3.53 W光功率輸入下，致動器平均溫升達88.8°C，彎曲角度響應(yīng)達198°，變形力超過66 mN。研究團隊還驗證了致動器在電磁干擾環(huán)境（微波頻率5-15 GHz，功率1 W）下的性能穩(wěn)定性（偏差<5.5%），以及在液氮環(huán)境（約-130°C）中仍能保持230°的最大彎曲角度。動態(tài)響應(yīng)測試表明，在-30°C至50°C溫度范圍內(nèi)，致動器響應(yīng)時間為36-83秒，表現(xiàn)出良好的環(huán)境適應(yīng)性。

圖1. FWPA的設(shè)計原理。 (a) 通過FWPA進行空間相關(guān)物體操作的示意圖。(b) 不同半徑下光纖彎曲損耗的示意圖。(c) 具有周期性和相同尺寸排布的光纖顯示泄漏強度遞減（上圖）；具有周期性和遞減尺寸排布的光纖顯示泄漏強度恒定（下圖）。(d) FWPA變形過程的示意圖。(e) 多個串聯(lián)FWPA的多關(guān)節(jié)驅(qū)動。

圖2. FWPA的多物理場耦合原理。 (a) 兩種排布形狀（三種不同形狀參數(shù)）的彎曲損耗率。(b) PDMS-MWNT的光吸收光譜。(c) 對雙層結(jié)構(gòu)施加不同溫度的FWPA有限元分析。(d) 不同溫度場輸入下FWPA實驗變形能力與模擬結(jié)果的校準(zhǔn)。(e) 不同光輸入下FWPA的實驗溫升與模擬結(jié)果。(f) 不同光輸入下FWPA的實驗變形行為與模擬結(jié)果。(g) 不同光輸入下FWPA在不同電磁干擾下的變形行為。(h) 低溫環(huán)境下不同光輸入下FWPA的變形行為。(i) 不同光輸入下FWPA的變形力。

為實現(xiàn)溫度場的精確調(diào)控，研究團隊設(shè)計了三種不同光纖排布模式：恒定泄漏率型、恒定泄漏值型和往返恒定泄漏率型。通過調(diào)節(jié)光纖彎曲半徑，可程序化控制光功率泄漏，進而精確調(diào)控致動器的溫度場分布。實驗表明，在相同激光功率輸入下，不同彎曲半徑（4、5、6 mm）的恒定泄漏率型致動器平均溫升分別為101、67和45°C；而不同泄漏率（3%、5%、8%）的恒定泄漏值型致動器則實現(xiàn)了69、86和88°C的平均溫升，溫度場均勻性顯著提升。

圖3. 9種光纖排布的功率泄漏、溫度場和溫升示意圖。 (a) 恒定半徑為6 mm的CLR型FWPA。(b) 3.85 W光功率輸入下，三種不同尺寸CLR型FWPA的溫度場。(c) 不同光功率輸入下，三種不同尺寸CLR型FWPA的溫升。(d) 恒定功率泄漏率的CPLV型FWPA。(e) 不同光功率輸入下，三種不同泄漏率CPLV型FWPA的溫度場。(f) 不同光功率輸入下，三種不同泄漏率CPLV型FWPA的溫升。(g) 恒定半徑為6 mm的RCLR型FWPA。(h) 3.85 W光功率輸入下，三種不同尺寸RCLR型FWPA的溫度場。(i) 不同光功率輸入下，三種不同尺寸RCLR型FWPA的溫升。

基于可編程的光纖排布策略，研究團隊構(gòu)建了包含四種基礎(chǔ)構(gòu)型的光致動器庫：切向花瓣型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)環(huán)繞運動，展示扭矩應(yīng)用潛力；徑向花瓣型結(jié)構(gòu)可完成抓取動作；螺旋型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)軸向伸長與旋轉(zhuǎn)，周向變形達180°；鉸鏈型結(jié)構(gòu)通過內(nèi)側(cè)光熱效應(yīng)驅(qū)動開合，實現(xiàn)約50°的角度偏轉(zhuǎn)。這些多樣化構(gòu)型為空間多場景應(yīng)用提供了豐富的解決方案。

圖4. FWPA庫。 切向花瓣型、徑向花瓣型、螺旋型和鉸鏈型FWPA器件的初始狀態(tài)、瞬態(tài)、響應(yīng)狀態(tài)和熱成像圖。

研究團隊進一步驗證了公里級遠程操控能力。在1.003 km光纖末端串聯(lián)兩個致動器，經(jīng)光纖傳輸后損耗31.3%光功率，剩余功率仍足以驅(qū)動兩個致動器正常工作。在最大吸收功率下，致動器1溫升81°C、角度響應(yīng)159°，致動器2溫升32°C、角度響應(yīng)72°。野外實驗證實，即使在障礙物環(huán)境中，致動器性能保持穩(wěn)定，氣流擾動引起的角度偏差<10°，確保抓取或推動任務(wù)的可靠性。在模擬空間目標(biāo)抓取演示中，兩個串聯(lián)致動器通過光纖實現(xiàn)遠程能量輸送和精確控制，完成目標(biāo)捕獲和位置移動。

圖5. FWPA的公里級操控。 (a) 公里級FWPA供電與控制；插圖(Ξ)顯示實驗場景照片，插圖(Ξ)顯示光纖排布細(xì)節(jié)。(b) 兩個串聯(lián)FWPA的功率分布。(c) FWPA1的溫升與變形。(d) FWPA2的溫升與變形。

圖6. 兩個級聯(lián)FWPA模擬空間目標(biāo)抓取。 (a) 兩個級聯(lián)FWPA的目標(biāo)捕獲過程。(b) 通過FWPA移動物體的過程。

該研究提出的光纖波導(dǎo)光致動器架構(gòu)，不僅適用于空間操控，還可推廣至工業(yè)檢測、地下基礎(chǔ)設(shè)施維護、核設(shè)施及高壓設(shè)備等受限、障礙物密集或電磁噪聲環(huán)境。其柔軟順應(yīng)性及光學(xué)控制特性，也為微創(chuàng)醫(yī)療器械（如內(nèi)窺鏡工具、導(dǎo)管操作器）開辟了應(yīng)用前景。此外，這種基于光纖的模塊化驅(qū)動策略，為可穿戴設(shè)備、可重構(gòu)結(jié)構(gòu)及危險環(huán)境遠程操作提供了可擴展的多自由度驅(qū)動通用框架。