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光控自适应软体人工肌肉系统作为柔性驱动与智能材料领域的前沿方向，逐渐成为研究热点。光控驱动策略因具备非接触、远程调控、时空分辨率高等优势，成为软体人工肌肉的重要发展方向。

ACS Applied Materials & Interfaces发表了一项突破性研究（Zhao et al., 2022），报道了一种受植物形态发生与黄貂鱼波动游动启发的光控自适应软体人工肌肉系统（PRTAS）。该系统通过结构化光照调控，实现了单一软体材料（monolithic soft artificial muscle, MSAM）的自发3D波浪形态生成（如扭转波、边缘波、内部波）及自主传播，为柔性驱动、智能运输等应用提供了新范式。

在这一创新研究中，除仿生设计与光控策略外，三维全场应变测量技术对揭示波动形成机制、量化材料力学响应及验证驱动机理至关重要。研究团队采用VIC-3D 12Mp数字图像相关（DIC）系统（Correlated Solutions），通过高精度非接触式全场应变表征，为PRTAS的波动行为解析提供了关键数据支撑。

一、研究背景与挑战

PRTAS的核心功能依赖于MSAM在光照刺激下产生的大变形动态波动（如边缘侧向波动、内部纵向波动）。这些波动的本质是材料内部非均匀应变场（拉伸/压缩交替分布）驱动的形变传播，其动态演化过程直接影响波动稳定性、传播效率及负载能力。

传统单点测量技术（如应变片、引伸计）仅能获取有限位置的局部信息，无法反映波动区域全场应变分布（如波峰/波谷处的应变极值、应变梯度变化）及动态时序演化（如波动传播时应变的前导-滞后关系）。因此，需采用全场、非接触、高时空分辨率的应变测量技术，以精确捕捉波动形态与材料力学响应的关联。

二、VIC-3D的技术特性与适配性

VIC-3D 12Mp系统是基于数字图像相关（DIC）原理的三维光学测量设备，其核心优势在于：

    · 全场测量：通过双相机同步采集表面散斑图像，可一次性重构样品表面的三维位移场与应变场（包括主应变方向、最大/最小主应变值），覆盖波动区域的完整形变信息；

    · 非接触式：无需在MSAM表面粘贴传感器或标记点（避免干扰材料本征变形），适用于软材料的大变形测量；

    · 高分辨率：12Mp高分辨率相机支持微米级位移捕捉，结合高速图像采集，可解析毫秒至秒级时间尺度内的应变演化；

    · 动态/静态兼容：既适用于稳态波动形态的应变分布分析，也可追踪波动传播过程中应变的实时变化。

这些特性使其成为研究PRTAS中“光-形变-波动”关联的理想工具。

现场测试图

三、VIC-3D在PRTAS研究中的具体应用

1. 波动形态对应的应变场定量表征

研究团队通过调控结构化光照的强度梯度（如非均匀光斑分布），诱导MSAM形成三类典型波动形态（扭转波、边缘波、内部波）。VIC-3D系统捕获了每种波动形态下的全场应变云图，揭示了：

    · 应变分布模式：例如，边缘波的应变集中区主要位于MSAM侧边（与光强梯度方向一致），而内部波的应变峰值出现在周期性隆起区域的背光侧（如下图的实际变形情况示意图）；

    · 应变不对称性：压缩区与拉伸区的应变差异（如扭转波中两侧的应变极性相反），为波动传播方向提供了力学判据；

    · 多波动共存时的局部应变叠加：当多种波动模式叠加时（如混合波），VIC-3D可区分不同区域的应变贡献（如边缘与内部应变的协同/竞争关系）。

样品设计驱动变形图

2. 波动传播过程的动态应变演化追踪

PRTAS的核心创新之一是波动形态的自主传播能力（从波源向远端自发移动）。VIC-3D通过连续采集波动传播序列图像，重建了动态应变时序场，包括：

    · 应变波前定位：波动传播时，应变集中区（如最大拉伸/压缩点）随时间沿x轴（传播方向）依次出现，与观测到的波动形态迁移同步；

    · 周期性应变循环：在光热驱动机制下，MSAM的周期性收缩/扩张导致应变场呈现节律性振荡（如y轴方向的双侧热波引发两侧应变交替变化；

    · 载荷影响下的应变响应：当MSAM承载外部物体时，VIC-3D捕捉到负载区域的应变重新分布（如物体下方应变集中增强），为运输稳定性分析提供了依据。

这些动态数据揭示了波动传播的本质是光诱导热梯度→局部应变梯度→形变传播的连锁反应，并量化了机械不稳定性在自持波动中的驱动作用。

VIC-3D全场变形图

3. 驱动机理的多物理场关联验证

PRTAS的波动并非由传统电机驱动，而是基于光-热-机械耦合效应：结构化光照引发MSAM局部选择性加热（通过光热转换），导致材料的热膨胀/收缩差异（受光强分布调控），进而产生非均匀应变场并驱动波动。

VIC-3D提供的高精度应变场数据与红外热成像、有限元模拟相结合，共同验证了以下机理：

    · 应变热点与热点的空间一致性：波动传播路径上的应变峰值区与红外热像中的高温区高度重合表明局部加热是应变生成的直接诱因；

    · 应变梯度驱动波动传播：数值模拟显示，应变梯度（∂ε/∂x）的方向与波动传播方向一致，证实了机械不稳定性在波动自持中的核心作用；

    · 材料参数的影响：通过对比不同弹性模量/应变能力的MSAM样本（如掺杂石墨烯的复合材料），VIC-3D量化了力学性能对波动幅值与传播速度的调控规律。

这些发现不仅解释了PRTAS无需外部传感器即可实现自主波动的机制（类比生物中枢模式发生器的节律性输出），也为设计新型光控软体驱动器提供了理论框架。

编辑

热成像数据图

四、总结：在PRTAS的研究中，VIC-3D的核心价值体现在：

    · 突破单点测量的局限性：通过全场应变云图，揭示了波动形态与材料力学响应的全局关联（而非依赖离散点推测整体行为）；

    · 动态过程的精准捕捉：支持波动传播、载荷响应等瞬态行为的实时记录，为机理分析提供时序数据支撑；

    · 多物理场耦合分析能力：应变数据可与温度场、光强分布等信号关联，助力复杂驱动机制的交叉验证；

    · 仿生设计的定量反馈：通过量化不同波动模式的应变特征，指导了结构化光照参数的优化（如光强梯度设计），推动了从“概念设计”到“功能实现”的闭环。

本研究通过仿生策略与光控技术的融合，实现了软体人工肌肉的自主波动与智能运输功能，而VIC-3D作为关键的实验技术手段，为这一创新提供了“看见力学行为”的能力——从波动形态的应变分布到传播过程的动态演化，从驱动机理的多物理场关联到功能优化的定量反馈。

参考文献：Zhao T, Fan Y, Lv J. Photomorphogenesis of Diverse Autonomous Traveling Waves in a Monolithic Soft Artificial Muscle. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, DOI: 10.1021/acsami.2c02000.