仿生軟鏡片可像人眼一樣自動調焦 推動光驅動材料及下一代可穿戴技術發展

科技日報記者 張夢然

美國佐治亞理工學院研究人員開發出一種仿生軟鏡片，能夠像人眼一樣根據環境光照強度自動調節焦距。這一成果展示了光驅動軟體材料在構建自適應視覺系統、自主運行的軟體機器人、智能醫療設備及下一代可穿戴技術方面的廣闊前景。相關研究結果發表在新一期《科學·機器人》雜誌上。

這種名為光響應水凝膠軟透鏡（PHySL）的裝置，由嵌入吸光氧化石墨烯的水凝膠構成，中心設有微型透鏡。當光線照射時，氧化石墨烯吸收光能產生熱量，導致水凝膠收縮，從而拉伸中央透鏡，使其曲率改變，實現瞳孔擴大和焦距延長；當光照減弱時，凝膠冷卻並恢復原狀，透鏡也隨之回縮至初始形態，整個過程無需外部電源或機械驅動裝置。

該設計克服了傳統仿生光學系統依賴電子元件或剛性電機的侷限，實現了真正意義上的自主調節。研究人員將PHySL集成到常規明場顯微鏡中，對多種生物樣本進行了高分辨率成像，清晰捕捉到螞蟻腿部的細毛、花粉顆粒表面的裂片結構、蜱蟲腿上的爪狀結構以及真菌樣本中單根纖維間的微小間隙。所獲得的圖像質量與使用標準顯微物鏡拍攝的結果相當。

實驗還表明，PHySL可在自然光照條件下自動調整焦點，適用於多層樣品的動態成像。當被整合進光纖成像系統時，該透鏡能在照明變化的情況下持續保持對目標的清晰聚焦。

這一創新正是近年來快速發展的光驅動軟體材料領域的最新成果。這類材料能將光能直接轉化為機械形變，其中水凝膠、液晶彈性體和碳基複合材料是研究熱點，可用於構建微型機器人和人工肌肉。而氧化石墨烯因其寬光譜吸收能力和高效的光熱轉換性能，常被作為“光熱引擎”嵌入聚合物或水凝膠中，實現遠程、非接觸式的精準驅動。PHySL正是巧妙結合了氧化石墨烯的光熱效應與水凝膠的熱響應特性，構建出一種能自主感知並響應環境光的智能光學系統。