没有芯片，没有电池，靠一束激光就能让机器人读懂任务指令？最近，南京大学马玲玲/王瑜/陆延青团队在 Light: Science & Applications 上发表了一篇论文成果，他们用液晶全息术给软体机器人造了一个光学大脑。
这个大脑藏在一种特制的薄膜里，激光照上去就能投影出指令图案，操作者看着图案就知道该怎么操控机器人。论文中，他们展示了两个原型设备，一个智能抓手能按指令抓取和分类物体，另一个行走机器人能在全息指令引导下走出迷宫。
共同通讯作者马玲玲研究员和第一作者张子宸告诉 DeepTech，这项研究的出发点来自于该团队对软体机器人现状的观察。软体机器人已经很成熟了，它们柔性好、能变形、适应能力强，可以完成很多复杂任务。
不过当前机器人系统在任务指令的生成和解读方面，仍然依赖外部硬件控制或者人的直接操作。机器人本身没有信息存储能力，也无法反过来告诉操作者该执行什么任务、怎么执行。因此，该团队想做这样一个系统，让机器人自己带着说明书，操作者看一眼就知道该怎么做。
图 | 左至右魏阳；马玲玲；陆延青；张子宸；王瑜；王泽宇
他们选了两个材料。第一个是液晶聚合物，它可以用激光在里面刻录全息图案。第二个是丝素蛋白，就是从蚕茧里提取的天然材料，它遇水蒸气会塑形，还能掺杂发光物质。液晶聚合物能被激光驱动，丝素蛋白对湿度敏感，两者叠在一起就变成了一个双响应驱动器。当光照它，它会朝一边弯；当加湿它，它会朝另一边弯。这样一来，一个驱动器就能做出两种不同的动作。
研究中，他们先用一种叫 DMD 的光刻系统，把设计好的全息图案写到液晶里。液晶分子会根据图案的方向重新排列，形成特定的微结构。当圆偏振激光打上去时，这些微结构就会投射出预设的图案，比如文字或者图形。这就像把一张全息照片刻进了一张塑料薄膜里，随时可以用激光读取。
（来源：Light: Science & Applications）
丝素蛋白薄膜也有自己的用处，该团队在里面掺杂了四种不同的上转换纳米颗粒，这些颗粒在近红外激光照射下会发出蓝、绿、黄、红四种颜色的荧光。不同颜色的荧光对应不同的信息，就像给机器人配了一套彩色密码本。而且丝素蛋白吸收高湿度水蒸气后脱水干燥即可实现塑形，这能让机器人保持住某个姿势，不需要持续供能。
他们做了一个智能抓手来验证这套系统的实用性。抓手有四条手臂，每条手臂都是液晶聚合物和丝素蛋白的双层结构。抓手最初是闭合的，因为之前经过了高湿度处理。
实验中他们先用激光照射抓手，手臂受热张开。然后把抓手移到物体上方，关掉激光，手臂冷却闭合，稳稳抓住物体。转移到目标位置后，再用激光照射一次，手臂张开释放物体。整个过程只需要一束激光，只需照着全息图案的提示做就行，不需要编程也不需要按按钮。
更精妙的设计体现在抓手的全息指令系统上，该团队在抓手的底座上嵌入了一圈全息图案，每种图案对应不同的抓取指令。比如激光照出一个方块的图案，就意味着该去抓方块。
照出一个圆形的图案，就该去抓圆形。操作时只需看着投影出来的图案就知道目标是什么，绝对不会弄错。这个设计把信息存储和任务指引融合到了机器人本体上，能够实现傻瓜式操作。
第二个演示是一个能走出迷宫的行走机器人。他们做了一个四足机器人，每条腿都是液晶聚合物和丝素蛋白的双层结构。机器人的身体中央有一个全息圆盘，上面刻了四组不同的全息指令。圆盘上面盖了一个花瓣形状的盖子，这个盖子也是双层结构做的，平时是闭合的。先喷一点水雾，盖子受潮湿张开，露出下面的全息圆盘，由此形成了第一层加密。
（来源：Light: Science & Applications）
然后用超连续激光照射圆盘，全息图案投影出来，每组图案对应一个方向指令。不过光看到图案还不够，他们还加了第二道锁。盖子的四个花瓣里分别掺了四种不同的上转换颗粒，在近红外激光下会发出蓝、绿、黄、红四种颜色的荧光。这时需要按顺序读取四个花瓣的荧光颜色，这个颜色序列才是真正的密钥。四种颜色总共有 256 种排列组合，只有按指定顺序才能拿到有效指令。
该团队把密钥设成了红、绿、黄、蓝这个序列，期间他们依次提取四个荧光颜色，拿到对应的四个全息指令，然后按照指令顺序操控机器人。先向前，再左转，再右转，再向前，机器人就这样一步步走出了迷宫。四层加密分别是湿度触发的开盖、全息图案的投影、荧光颜色的提取、颜色序列的校验，每一层都必不可少。
机器人的腿是间隔排列的，激光照在某条腿的根部，那条腿就会向下弯曲。关掉激光后，腿恢复原状时会产生一个回弹力，推动整个身体向反方向移动。想往左走就照右边的腿，想往右走就照左边的腿。一次照射大概能移动 3.5 毫米，反复照射就能连续移动。实验中，他们测试了不同方向的行走轨迹，证明机器人可以稳定地朝四个方向移动。
这套系统的硬件成本很低，操作时需要的只是一束相干光，质量好一点的激光笔就能投影出全息图案，几十块到几百块钱就能买到。不需要昂贵的激光器，也不需要复杂的电子设备，一束光一把激光笔就能完成全部操作。
采访中，该团队向 DeepTech 展望了几个应用方向。一个是医疗场景，可以把机器人做得很小，让它进入人体内部做微创手术。他们所使用的 488 纳米可见光和 980 纳米近红外激光都可以穿过人体组织，只要控制好功率和功率密度就行。
另一个是极端环境探索，比如黑暗的山洞或者深海，硬件机器人体积大进不去，小型的软体机器人可以钻进去。还有一个是军事领域，多层加密的设计天然适合传递敏感指令，即便被截获也破解不了。
（来源：Light: Science & Applications）
同时，他们也在考虑如何让这项技术走进普通人的生活。第一作者张子宸目前正在做两件事，一是把机器人做得更小，用于体内环境，二是把机器人做得更大，做成具有自动化能力的交互系统。
该团队也在和工业界接触，寻找具体的应用场景，比如把柔性材料和执行功能用到汽车里。张子宸透露，他目前正在研究光学穿透性和体内环境适配的问题，后续的工作已经在推进中。
这套系统的核心价值在于，它把信息存储和处理能力从外部的电脑和电路搬到了机器人本体上。机器人不再是傻乎乎的被动手臂，它自己带着说明书，带着密码锁，操作者只要有一束光就能解锁任务。
液晶全息术给了软体机器人一种全新的交互方式，不用电，不用芯片，只用光。这种非电子化的信息处理方式，在那些不能用电或者不方便用电的场景里，有着独特的优势。
（来源：Light: Science & Applications）
目前，液晶全息术赋能软体机器人这个方向才刚刚起步。该团队认为，未来随着液晶全息技术向高分辨率、实时动态和多维控制发展，软体机器人的光学交互智能水平会越来越高。
这种将自适应机械性能与复杂光学信息处理融合的思路，为下一代全光学智能软体机器人提供了新的设计路径。也许有一天，一个不需要电池、不需要联网、只靠一束光就能听话的小机器人将能进入寻常百姓家。
参考资料：
相关论文https://www.nature.com/articles/s41377-026-02287-5#Sec17
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注：封面/首图由 AI 辅助生成