西北工業大學葉濤教授ACS Nano：開發光纖波導光致動器，實現公里級多關節空間操控

在空間碎片主動清除與在軌服務等深空探索任務中，高性能機器人系統面臨著極端環境下的安全、精確和節能操作需求。傳統剛性機器人系統存在操作距離短、發射體積/重量大、能量利用效率低等局限，而復雜動態的空間環境中，電磁干擾、障礙物及極端熱環境進一步加劇了剛性機器人的操作難度。盡管柔性光致動器因具備抗電磁干擾、安全操作及波長可調諧等優勢而備受關注，但現有光致動器多依賴自由空間光照射，存在操控距離短（米級）、光斑位置控制精度要求高或能量傳輸系統體積龐大等問題。如何實現兼具高魯棒性、高穩定性、功能可編程性及長距離多關節操控能力的柔性光波導致動器，成為空間操控領域亟待突破的關鍵技術難題。

近日，西北工業大學葉濤教授和新加坡南洋理工大學魏磊教授等國內外科研人員合作，首次開發出一種基于光纖彎曲損耗特性的光纖波導光致動器。該致動器利用光纖彎曲損耗特性，實現內部光功率與外部熱敏材料的高效耦合，其光吸收率高達98.9%，具備可編程光功率供給能力，可實現超過200°的大彎曲角度，并能在公里級尺度上沿光纖實現串聯多關節級聯操控，能量消耗低至17 mW/°和53 mW/mN。該致動器展現出優異的變形與力穩定性，抗電磁干擾性能（性能變化<5.5%）及寬溫區耐受性（-196至175°C），完全契合空間操控的應用需求。相關論文以“Fiber Waveguide Photoactuator for Long-Distance Polyarticular Manipulation”為題，發表在ACS Nano上。

研究團隊通過深入探究光纖彎曲損耗的多物理場耦合機理，揭示了光致動器的能量轉換過程。實驗結果表明，在962 nm波長光照下，摻雜多壁碳納米管的PDMS層光熱轉換效率達到約98.9%。有限元分析顯示，當環境溫度從室溫升高至100°C時，雙層結構發生顯著曲率變化。在3.53 W光功率輸入下，致動器平均溫升達88.8°C，彎曲角度響應達198°，變形力超過66 mN。研究團隊還驗證了致動器在電磁干擾環境（微波頻率5-15 GHz，功率1 W）下的性能穩定性（偏差<5.5%），以及在液氮環境（約-130°C）中仍能保持230°的最大彎曲角度。動態響應測試表明，在-30°C至50°C溫度范圍內，致動器響應時間為36-83秒，表現出良好的環境適應性。

圖1. FWPA的設計原理。 (a) 通過FWPA進行空間相關物體操作的示意圖。(b) 不同半徑下光纖彎曲損耗的示意圖。(c) 具有周期性和相同尺寸排布的光纖顯示泄漏強度遞減（上圖）；具有周期性和遞減尺寸排布的光纖顯示泄漏強度恒定（下圖）。(d) FWPA變形過程的示意圖。(e) 多個串聯FWPA的多關節驅動。

圖2. FWPA的多物理場耦合原理。 (a) 兩種排布形狀（三種不同形狀參數）的彎曲損耗率。(b) PDMS-MWNT的光吸收光譜。(c) 對雙層結構施加不同溫度的FWPA有限元分析。(d) 不同溫度場輸入下FWPA實驗變形能力與模擬結果的校準。(e) 不同光輸入下FWPA的實驗溫升與模擬結果。(f) 不同光輸入下FWPA的實驗變形行為與模擬結果。(g) 不同光輸入下FWPA在不同電磁干擾下的變形行為。(h) 低溫環境下不同光輸入下FWPA的變形行為。(i) 不同光輸入下FWPA的變形力。

為實現溫度場的精確調控，研究團隊設計了三種不同光纖排布模式：恒定泄漏率型、恒定泄漏值型和往返恒定泄漏率型。通過調節光纖彎曲半徑，可程序化控制光功率泄漏，進而精確調控致動器的溫度場分布。實驗表明，在相同激光功率輸入下，不同彎曲半徑（4、5、6 mm）的恒定泄漏率型致動器平均溫升分別為101、67和45°C；而不同泄漏率（3%、5%、8%）的恒定泄漏值型致動器則實現了69、86和88°C的平均溫升，溫度場均勻性顯著提升。

圖3. 9種光纖排布的功率泄漏、溫度場和溫升示意圖。 (a) 恒定半徑為6 mm的CLR型FWPA。(b) 3.85 W光功率輸入下，三種不同尺寸CLR型FWPA的溫度場。(c) 不同光功率輸入下，三種不同尺寸CLR型FWPA的溫升。(d) 恒定功率泄漏率的CPLV型FWPA。(e) 不同光功率輸入下，三種不同泄漏率CPLV型FWPA的溫度場。(f) 不同光功率輸入下，三種不同泄漏率CPLV型FWPA的溫升。(g) 恒定半徑為6 mm的RCLR型FWPA。(h) 3.85 W光功率輸入下，三種不同尺寸RCLR型FWPA的溫度場。(i) 不同光功率輸入下，三種不同尺寸RCLR型FWPA的溫升。

基于可編程的光纖排布策略，研究團隊構建了包含四種基礎構型的光致動器庫：切向花瓣型結構實現環繞運動，展示扭矩應用潛力；徑向花瓣型結構可完成抓取動作；螺旋型結構實現軸向伸長與旋轉，周向變形達180°；鉸鏈型結構通過內側光熱效應驅動開合，實現約50°的角度偏轉。這些多樣化構型為空間多場景應用提供了豐富的解決方案。

圖4. FWPA庫。 切向花瓣型、徑向花瓣型、螺旋型和鉸鏈型FWPA器件的初始狀態、瞬態、響應狀態和熱成像圖。

研究團隊進一步驗證了公里級遠程操控能力。在1.003 km光纖末端串聯兩個致動器，經光纖傳輸后損耗31.3%光功率，剩余功率仍足以驅動兩個致動器正常工作。在最大吸收功率下，致動器1溫升81°C、角度響應159°，致動器2溫升32°C、角度響應72°。野外實驗證實，即使在障礙物環境中，致動器性能保持穩定，氣流擾動引起的角度偏差<10°，確保抓取或推動任務的可靠性。在模擬空間目標抓取演示中，兩個串聯致動器通過光纖實現遠程能量輸送和精確控制，完成目標捕獲和位置移動。

圖5. FWPA的公里級操控。 (a) 公里級FWPA供電與控制；插圖(Ξ)顯示實驗場景照片，插圖(Ξ)顯示光纖排布細節。(b) 兩個串聯FWPA的功率分布。(c) FWPA1的溫升與變形。(d) FWPA2的溫升與變形。

圖6. 兩個級聯FWPA模擬空間目標抓取。 (a) 兩個級聯FWPA的目標捕獲過程。(b) 通過FWPA移動物體的過程。

該研究提出的光纖波導光致動器架構，不僅適用于空間操控，還可推廣至工業檢測、地下基礎設施維護、核設施及高壓設備等受限、障礙物密集或電磁噪聲環境。其柔軟順應性及光學控制特性，也為微創醫療器械（如內窺鏡工具、導管操作器）開辟了應用前景。此外，這種基于光纖的模塊化驅動策略，為可穿戴設備、可重構結構及危險環境遠程操作提供了可擴展的多自由度驅動通用框架。