美國佐治亞理工學(xué)院研究人員開發(fā)出一種仿生軟鏡片，能夠像人眼一樣根據(jù)環(huán)境光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距。這一成果展示了光驅(qū)動(dòng)軟體材料在構(gòu)建自適應(yīng)視覺系統(tǒng)、自主運(yùn)行的軟體機(jī)器人、智能醫(yī)療設(shè)備及下一代可穿戴技術(shù)方面的廣闊前景。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在新一期《科學(xué)·機(jī)器人》雜志上。
這種名為光響應(yīng)水凝膠軟透鏡（PHySL）的裝置，由嵌入吸光氧化石墨烯的水凝膠構(gòu)成，中心設(shè)有微型透鏡。當(dāng)光線照射時(shí)，氧化石墨烯吸收光能產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致水凝膠收縮，從而拉伸中央透鏡，使其曲率改變，實(shí)現(xiàn)瞳孔擴(kuò)大和焦距延長；當(dāng)光照減弱時(shí)，凝膠冷卻并恢復(fù)原狀，透鏡也隨之回縮至初始形態(tài)，整個(gè)過程無需外部電源或機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置。
該設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)仿生光學(xué)系統(tǒng)依賴電子元件或剛性電機(jī)的局限，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自主調(diào)節(jié)。研究人員將PHySL集成到常規(guī)明場顯微鏡中，對(duì)多種生物樣本進(jìn)行了高分辨率成像，清晰捕捉到螞蟻腿部的細(xì)毛、花粉顆粒表面的裂片結(jié)構(gòu)、蜱蟲腿上的爪狀結(jié)構(gòu)以及真菌樣本中單根纖維間的微小間隙。所獲得的圖像質(zhì)量與使用標(biāo)準(zhǔn)顯微物鏡拍攝的結(jié)果相當(dāng)。
實(shí)驗(yàn)還表明，PHySL可在自然光照條件下自動(dòng)調(diào)整焦點(diǎn)，適用于多層樣品的動(dòng)態(tài)成像。當(dāng)被整合進(jìn)光纖成像系統(tǒng)時(shí)，該透鏡能在照明變化的情況下持續(xù)保持對(duì)目標(biāo)的清晰聚焦。
這一創(chuàng)新正是近年來快速發(fā)展的光驅(qū)動(dòng)軟體材料領(lǐng)域的最新成果。這類材料能將光能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械形變，其中水凝膠、液晶彈性體和碳基復(fù)合材料是研究熱點(diǎn)，可用于構(gòu)建微型機(jī)器人和人工肌肉。而氧化石墨烯因其寬光譜吸收能力和高效的光熱轉(zhuǎn)換性能，常被作為“光熱引擎”嵌入聚合物或水凝膠中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、非接觸式的精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)。PHySL正是巧妙結(jié)合了氧化石墨烯的光熱效應(yīng)與水凝膠的熱響應(yīng)特性，構(gòu)建出一種能自主感知并響應(yīng)環(huán)境光的智能光學(xué)系統(tǒng)。
