南大造出光學智能軟體機器人，無需電池，一束激光就是全部指令

沒有芯片，沒有電池，靠一束激光就能讓機器人讀懂任務指令？最近，南京大學馬玲玲/王瑜/陸延青團隊在 Light: Science & Applications 上發表了一篇論文成果，他們用液晶全息術給軟體機器人造了一個光學大腦。

這個大腦藏在一種特制的薄膜里，激光照上去就能投影出指令圖案，操作者看著圖案就知道該怎么操控機器人。論文中，他們展示了兩個原型設備，一個智能抓手能按指令抓取和分類物體，另一個行走機器人能在全息指令引導下走出迷宮。

共同通訊作者馬玲玲研究員和第一作者張子宸告訴 DeepTech，這項研究的出發點來自于該團隊對軟體機器人現狀的觀察。軟體機器人已經很成熟了，它們柔性好、能變形、適應能力強，可以完成很多復雜任務。

不過當前機器人系統在任務指令的生成和解讀方面，仍然依賴外部硬件控制或者人的直接操作。機器人本身沒有信息存儲能力，也無法反過來告訴操作者該執行什么任務、怎么執行。因此，該團隊想做這樣一個系統，讓機器人自己帶著說明書，操作者看一眼就知道該怎么做。

圖 | 左至右魏陽；馬玲玲；陸延青；張子宸；王瑜；王澤宇

他們選了兩個材料。第一個是液晶聚合物，它可以用激光在里面刻錄全息圖案。第二個是絲素蛋白，就是從蠶繭里提取的天然材料，它遇水蒸氣會塑形，還能摻雜發光物質。液晶聚合物能被激光驅動，絲素蛋白對濕度敏感，兩者疊在一起就變成了一個雙響應驅動器。當光照它，它會朝一邊彎；當加濕它，它會朝另一邊彎。這樣一來，一個驅動器就能做出兩種不同的動作。

研究中，他們先用一種叫 DMD 的光刻系統，把設計好的全息圖案寫到液晶里。液晶分子會根據圖案的方向重新排列，形成特定的微結構。當圓偏振激光打上去時，這些微結構就會投射出預設的圖案，比如文字或者圖形。這就像把一張全息照片刻進了一張塑料薄膜里，隨時可以用激光讀取。

（來源：Light: Science & Applications）

絲素蛋白薄膜也有自己的用處，該團隊在里面摻雜了四種不同的上轉換納米顆粒，這些顆粒在近紅外激光照射下會發出藍、綠、黃、紅四種顏色的熒光。不同顏色的熒光對應不同的信息，就像給機器人配了一套彩色密碼本。而且絲素蛋白吸收高濕度水蒸氣后脫水干燥即可實現塑形，這能讓機器人保持住某個姿勢，不需要持續供能。

他們做了一個智能抓手來驗證這套系統的實用性。抓手有四條手臂，每條手臂都是液晶聚合物和絲素蛋白的雙層結構。抓手最初是閉合的，因為之前經過了高濕度處理。

實驗中他們先用激光照射抓手，手臂受熱張開。然后把抓手移到物體上方，關掉激光，手臂冷卻閉合，穩穩抓住物體。轉移到目標位置后，再用激光照射一次，手臂張開釋放物體。整個過程只需要一束激光，只需照著全息圖案的提示做就行，不需要編程也不需要按按鈕。

更精妙的設計體現在抓手的全息指令系統上，該團隊在抓手的底座上嵌入了一圈全息圖案，每種圖案對應不同的抓取指令。比如激光照出一個方塊的圖案，就意味著該去抓方塊。

照出一個圓形的圖案，就該去抓圓形。操作時只需看著投影出來的圖案就知道目標是什么，絕對不會弄錯。這個設計把信息存儲和任務指引融合到了機器人本體上，能夠實現傻瓜式操作。

第二個演示是一個能走出迷宮的行走機器人。他們做了一個四足機器人，每條腿都是液晶聚合物和絲素蛋白的雙層結構。機器人的身體中央有一個全息圓盤，上面刻了四組不同的全息指令。圓盤上面蓋了一個花瓣形狀的蓋子，這個蓋子也是雙層結構做的，平時是閉合的。先噴一點水霧，蓋子受潮濕張開，露出下面的全息圓盤，由此形成了第一層加密。

（來源：Light: Science & Applications）

然后用超連續激光照射圓盤，全息圖案投影出來，每組圖案對應一個方向指令。不過光看到圖案還不夠，他們還加了第二道鎖。蓋子的四個花瓣里分別摻了四種不同的上轉換顆粒，在近紅外激光下會發出藍、綠、黃、紅四種顏色的熒光。這時需要按順序讀取四個花瓣的熒光顏色，這個顏色序列才是真正的密鑰。四種顏色總共有 256 種排列組合，只有按指定順序才能拿到有效指令。

該團隊把密鑰設成了紅、綠、黃、藍這個序列，期間他們依次提取四個熒光顏色，拿到對應的四個全息指令，然后按照指令順序操控機器人。先向前，再左轉，再右轉，再向前，機器人就這樣一步步走出了迷宮。四層加密分別是濕度觸發的開蓋、全息圖案的投影、熒光顏色的提取、顏色序列的校驗，每一層都必不可少。

機器人的腿是間隔排列的，激光照在某條腿的根部，那條腿就會向下彎曲。關掉激光后，腿恢復原狀時會產生一個回彈力，推動整個身體向反方向移動。想往左走就照右邊的腿，想往右走就照左邊的腿。一次照射大概能移動 3.5 毫米，反復照射就能連續移動。實驗中，他們測試了不同方向的行走軌跡，證明機器人可以穩定地朝四個方向移動。

這套系統的硬件成本很低，操作時需要的只是一束相干光，質量好一點的激光筆就能投影出全息圖案，幾十塊到幾百塊錢就能買到。不需要昂貴的激光器，也不需要復雜的電子設備，一束光一把激光筆就能完成全部操作。

采訪中，該團隊向 DeepTech 展望了幾個應用方向。一個是醫療場景，可以把機器人做得很小，讓它進入人體內部做微創手術。他們所使用的 488 納米可見光和 980 納米近紅外激光都可以穿過人體組織，只要控制好功率和功率密度就行。

另一個是極端環境探索，比如黑暗的山洞或者深海，硬件機器人體積大進不去，小型的軟體機器人可以鉆進去。還有一個是軍事領域，多層加密的設計天然適合傳遞敏感指令，即便被截獲也破解不了。

（來源：Light: Science & Applications）

同時，他們也在考慮如何讓這項技術走進普通人的生活。第一作者張子宸目前正在做兩件事，一是把機器人做得更小，用于體內環境，二是把機器人做得更大，做成具有自動化能力的交互系統。

該團隊也在和工業界接觸，尋找具體的應用場景，比如把柔性材料和執行功能用到汽車里。張子宸透露，他目前正在研究光學穿透性和體內環境適配的問題，后續的工作已經在推進中。

這套系統的核心價值在于，它把信息存儲和處理能力從外部的電腦和電路搬到了機器人本體上。機器人不再是傻乎乎的被動手臂，它自己帶著說明書，帶著密碼鎖，操作者只要有一束光就能解鎖任務。

液晶全息術給了軟體機器人一種全新的交互方式，不用電，不用芯片，只用光。這種非電子化的信息處理方式，在那些不能用電或者不方便用電的場景里，有著獨特的優勢。

（來源：Light: Science & Applications）

目前，液晶全息術賦能軟體機器人這個方向才剛剛起步。該團隊認為，未來隨著液晶全息技術向高分辨率、實時動態和多維控制發展，軟體機器人的光學交互智能水平會越來越高。

這種將自適應機械性能與復雜光學信息處理融合的思路，為下一代全光學智能軟體機器人提供了新的設計路徑。也許有一天，一個不需要電池、不需要聯網、只靠一束光就能聽話的小機器人將能進入尋常百姓家。

參考資料：

相關論文https://www.nature.com/articles/s41377-026-02287-5#Sec17

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成