近日，南方科技大学电子与电气工程系刘言军教授团队提出一种等离激元超表面一体化液晶弹性体光驱动新架构，成功实现可编程光控2D/3D仿生形变，为软体机器人、生物医疗器械、自适应光学器件等开辟全新技术路线。相关研究成果以“Metasurface-Enabled Light-Driven Liquid Crystal Elastomer Actuators”为题，发表于Advanced Materials。

液晶弹性体（LCE）是极具发展前景的柔性仿生材料，适配软体机器人、可穿戴设备、微型医疗器械、可形变光学元件等诸多应用场景，光驱动模式还能实现非接触式远程无线操控。但传统体相掺杂型光热LCE存在显著短板：难以实现小范围精准局部形变；生物适配近红外波段缺乏高效稳定的光热材料；光热吸收与力学形变相耦合无法独立优化。此外，薄膜内部致动核心即跨厚度热梯度缺少直接定量的实验观测手段，制约器件性能提升与内在机理研究。

图1 超表面集成LCE的近红外光驱动弯曲形变

针对上述难题，研究团队跳出传统体相掺杂思路，构建表面图形化等离激元超表面复合LCE全新架构，实现光热转化与形变响应功能解耦。研究采用纳米球光刻工艺，在弹性体表面制备周期性三角金纳米阵列，依托近红外表面等离激元共振定点产热，薄膜预编码液晶分子取向则决定形变形态。超薄稀疏金纳米结构不会损害基底柔性，且样品弯曲方向不受光源入射方向影响，材料整体响应灵敏，多次循环驱动后仍保持稳定性能。

图2 超表面纳米结构形貌特性、光学响应与光热转化性能表征

为探明超表面高效光热转化机制，团队从微观形貌、光学特性、热动力学多维度对金纳米结构阵列开展系统表征。纳米球光刻技术可大面积制备排布规整的金纳米结构，该结构可选择性吸收目标近红外光，纳米结构边角形成局域光场增强热点，实现高效光热转换。结合光谱测试、电磁场仿真与热学分析，完整还原纳米尺度产热过程，充分验证体系优异的光热转化性能。

图3 光致发光热成像系统表征薄膜厚度方向动态热梯度

针对薄膜内热梯度难以直接观测的难题，团队搭建双激光协同荧光热成像表征平台，实现微米级跨膜测温。研究人员在LCE基质中掺入温敏荧光材料，依靠荧光强度随温度的变化精准解析薄膜内部实时温度分布。这套系统可动态捕捉热量从表层向膜内扩散的全过程，截面温度分布直接证实纵向温差是薄膜弯折的重要诱因，从实验层面建立热梯度传递的物理模型。

图4 超表面图案化设计实现LCE局部形变与仿生驱动

依托超表面图形化加热与液晶光取向编码双重调控，该平台实现从局部二维弯折到复杂三维仿生重构的全维度可编程形变。在薄膜不同区域定义超表面图案，均匀光照下可实现定点弯曲、双向折叠；复刻生物关节铰链结构，模拟甲虫抬腿、蝴蝶振翅等仿生动作，器件在水下环境仍可稳定驱动。结合空间偏振光预编码分子取向，实现可折叠箱体、可逆开合仿生花朵等三维动态重构。团队进一步完成像素化微驱动阵列概念验证，为全光控微光机系统奠定原型基础。

图5 液晶光取向助力超表面LCE实现三维可重构形变

本研究构建了光热转化与力学形变相互独立的全新液晶弹性体驱动架构，依托自主开发的荧光热成像表征方法完整阐明热传递驱动机制。器件兼具高光热转化效率、高精度局部驱动及稳定的形变响应，能够适配空气及水下两类工作场景，加工工艺支持大面积制备。研究打通了纳米光子学与柔性高分子材料的交叉应用思路，为水下软体机器人、生物医疗、自适应光学等领域提供全新的无线全光操控方案。

南方科技大学与香港科技大学联合培养博士毕业生成茗为论文第一作者，刘言军教授、香港科技大学 Abhishek Kumar Srivastava教授为共同通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。本研究联合英国利兹大学、宁波工程学院等单位协同完成，得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技创新委员会专项等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73491

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇 罗晓宁