CN113309677B - 一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动方法及系统，通过螺纹模具成型在结合两步交联法制备得到一种多自由度的光控纤维执行器，在纤维执行器的下方悬挂负载物，驱动光源照射纤维执行器使其产生自发、周期性持续机械运动，进而实现具有高自由度和负载能力的可控的通用自发、周期性持续机械运动系统。

Description

一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动方法及系统

技术领域

本发明涉及光机械转换领域，特别涉及一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动方法及系统。

背景技术

自然界中动植物的智能行为设计和开发先进的智能材料和器件提供了源源不断的灵感。自动的循环运动行为普遍存在于动植物的重要生命活动中，例如鸟类飞行时周期持续地煽动翅膀、金枪鱼游动时高速循环摆动尾部、动物心脏的周期性节律跳动等。这些自动循环的生命活动都是基于非平衡系统，能够通过恒定的化学能量的输入来产生持续的自动循环的运动。然而，人造的刺激响应材料系统以平衡系统为主，通常系统具有两个或多个平衡或亚稳态的结构/状态，切换结构/状态依靠开关外部刺激源。在恒定的外部刺激下，这些刺激响应材料系统只能产生单次的机械运动行为，严重缺乏自动特性。

针对这种情况，科学家和工程师已尝试用合成材料组装可实现自发、周期性持续机械运动行为的系统，这其中使用的材料主要有两种，一种是由pH值或Belousov-zhabotinsky反应驱动的智能凝胶，另一种是光敏型液晶聚合物，然而，智能凝胶必须在潮湿条件下操作，因为它们的驱动力是由刺激响应性凝胶的溶胀和去溶胀引起的，而在大多数实际应用需要优先考虑干燥的环境，也就是说，智能凝胶的适用场景有限。对于光敏型液晶聚合物，通常被加工成独立的条状作为振荡器，其利用自屏蔽效应产生弯曲/未弯曲的反馈回路以获取振动，并且主要的自由度是弯曲形变，由于其缺少多个自由度，导致若是要在单个光敏型液晶聚合物执行器中实现多种运动模式具有非常大的挑战，尤其是当要实现单个执行器中各种运动模式的可控性时，这将变得更具挑战性。另外，目前研究的自发、周期性持续机械运动系统无法在负载状态下工作，因为负载会改变并影响其平衡条件而阻碍其运动，而实际的工程应用场景则需要抵抗外部负载。

因此，迫切需要具有高自由度和负载能力的智能刺激响应材料来开发具有可控运动模式和对外做功的自发、周期性持续机械运动系统以适应实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动方法及系统，通过螺纹模具成型结合两步交联法制备得到一种多自由度形变的光控纤维执行器，其在光控条件下可产生自发、周期性持续机械运动，以实现具有高自由度和负载能力的可控的通用自发、周期性持续机械运动系统。

为实现以上发明目的，本技术方案提供一种；光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，包括以下步骤：将负载物悬挂在纤维执行器的末端，驱动光源照射纤维执行器的任意位置，其中纤维执行器由掺加光吸收剂的光响应材料制备得到，在驱动光源的刺激下由线性结构经历弯曲、扭转、卷曲及其卷曲纤维的收缩转变为螺旋结构。

在一些实施例中，改变驱动光源的光强、光斑尺寸和照射位置驱动纤维执行器产生不同的机械运动模式，包括倾斜运动、旋转运动以及上下运动的至少一种。

在一些实施例中，当驱动光源照射纤维执行器与负载物的连接部位，驱动纤维执行器产生持续的倾斜运动，倾斜运动的振幅为±0～±90°，频率为0～100Hz。

在一些实施例中，当驱动光源照射纤维执行器与负载物非连接的部位时，旋转运动的振幅为±0～±1000°，频率为0～10Hz。

在一些实施例中，当驱动光源照射纤维执行器与负载物非连接的部位时，驱动纤维执行器产生持续的上下运动，上下运动的振幅为±0～±2m，频率为0～100Hz。

在一些实施例中，调节不同驱动光源的照射位置或光照，驱动纤维执行器产生复合机械运动，其中复合机械运动包括倾斜运动和旋转运动的复合，以及，上下运动和旋转运动的复合。

在一些实施例中，负载物置于各种气体环境，及高阻尼液体环境中。

在一些实施例中，负载物为置于线圈内的磁棒，驱动光源驱动磁棒产生上下运动切割磁感线产生电流。

在一些实施例中，负载物为光学反射镜，驱动光源带动光学反射镜产生不同模式的运动，当激光光束照射在光学反射镜上时，将激光光束进行转向或实现线形和波形光扫描。

第二方面，本方案提供一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的系统，包括：纤维执行器，其中纤维执行器由掺加光吸收剂的光响应材料制备得到，在驱动光源的刺激下由线性结构经历弯曲、扭转、卷曲及其卷曲纤维的收缩转变为螺旋结构；负载物，悬挂在纤维执行器的末端；以及驱动光源，用于光照纤维执行器驱动纤维执行器自发产生周期持续机械运动。

相较现有技术，本技术方案具有以下特点和有益效果：利用纤维执行器在线性结构和螺旋结构之间转变过程中产生的四种多自由度形变行为：纤维的弯曲、扭转、卷曲及其卷曲纤维的收缩，采用局部照射或图案化照射纤维执行器，不仅实现了光控纤维执行器产生三种基础模式的自发、周期性持续机械运动行为：倾斜运动、旋转运动、上下运动，还实现了多种复合了不同基础模式的复杂自发、周期性持续机械运动行为。

另外，本方案还可通过改变入射光的光强、光班形状尺寸以及光斑方位来实现纤维执行器在不同模式的自由切换，以及可调节自发、周期性持续机械运动行为的频率和振幅；通过改变纤维执行器下端负载物实现自振动系统的功能重构，比如若负载物为磁棒的话，该纤维执行器可用于发电；当负载物为光学反射镜时，该纤维执行器可以用来进行激光光调制。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的纤维执行器的制备原理方程式。

图2是根据本发明的一实施例的纤维执行器的三种运动模式的示意图。

图3是根据本发明的一实施例光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生倾斜运动。

图4是根据本发明的一实施例光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生旋转运动。

图5是根据本发明的一实施例光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生上下运动。

图6是根据本发明的一实施例光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生复合自发周期性持续机械行为，该模式包含倾斜运动和旋转运动。

图7是根据本发明的一实施例光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生复合自发周期性持续机械行为，该模式包含上下运动和旋转运动。

图8是根据本发明的一实施例在流体界面上的光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生旋转运动，适用环境为气体或气液界面。

图9是根据本发明的一实施例光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为在聚集太阳光刺激下产生倾斜运动。

图10是根据本发明的一实施例光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统用于激光引导的应用。

图11是根据本发明的一实施例光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统用于能量的收集装置。

图12是光强和光斑尺寸对纤维执行器运动模式的影响示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

本方案提供一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动方法及系统，利用光致形变智能高分子材料制备了纤维执行器，并在该纤维执行器中掺杂了光吸收剂，由于掺杂的光吸收剂的光热激发效应，光照射会局部提高纤维执行器的温度，温度变化进一步地触发光照射区域的纤维的变形。在本实施例中通过在其中掺杂的光吸收剂为石墨烯，能够将近红外光转变为热实现光刺激产生形变的效果，同样的，可以在其中引入其他波段光吸收剂实现其在其他波长光下发生形变。

进而引发如下的运动方式：

在光照射下，纤维执行器的形态变化使被照射的纤维执行器产生形变，并有运动出光斑辐射区域的趋势，脱离光斑辐射区域的纤维执行器在离开光斑辐射区域后仍在继续远离光斑，此延迟归因于光热机械传递需要时间差Δt以及纤维在运动期间获得的惯性。待离开光斑辐射区域的纤维执行器冷却下来，其发生回复形变并回到光斑辐射区域。回到光照射区域的纤维执行器将在光斑辐射区域内外反复进行可逆进出运动，从而形成光机械反馈回路，产生自发的、持续的机械运动。

通过以上运动方式，不仅实现了光控纤维执行器产生三种基础模式的自发、周期性持续机械运动行为：倾斜运动、旋转运动、上下运动，还实现了多种复合不同基础模式的复杂自发、周期性持续机械运动行为，例如结合了倾斜和旋转运动的复合自发周期性持续机械行为，以及结合了旋转和上下运动的复合自发周期性持续机械行为。

且本方案可以通过改变入射光强度、入射光斑的形状和尺寸、光斑在纤维执行器上的位置来实现不同机械运动模式的自由切换，以及调节自发、周期性持续机械运动行为的频率和振幅。这是一种全新的光驱动产生持续机械运动的方法，在微机械系统、软体机器人和新能源等领域具有可观的潜在应用价值。

具体的，本方案提供一种纤维执行器，其利用光致形变智能高分子材料制备得到，并在制备材料中掺杂了光吸收剂，具体的，该纤维执行器的制备方法如下：

将含有液晶基元的单体与含有光热转换的材料通过键合或掺杂的方式通过烯醇点击反应、迈克尔加成反应或自由基聚合在具有螺纹结构的模具中初步聚合成型，剥离得到未完全交联的螺旋型纤维前驱体；将未完全交联的螺旋型纤维前驱体通过拉伸、解捻得到直线纤维，继续将直线纤维拉伸设定比例后固定形状和取向。

具体的，该螺旋型纤维前驱体具有通过化学交联反应形成的弱交联网络，在初始固化后，从模具中取出成型的未完全交联的螺旋型纤维前驱体；然后将其用作前驱物进行拉直，解捻和进一步拉伸应变，固定拉伸应变后，通过化学交联反应诱导并固定了拉直的螺旋型纤维前驱体横截面上的应力梯度，得到具有多自由度形变的纤维执行器。

其中液晶弹性体低聚物为含有液晶基元的单体与含有光热转换的材料通过键合或掺杂的方式通过烯醇点击反应、迈克尔加成反应和自由基聚合等方式在具有螺纹结构的模具中初步聚合成型其得到的螺旋型纤维前驱体具有化学交联反应形成的弱交联网络。螺旋型纤维前驱体在进行轴向拉伸时，由于螺旋型纤维前驱体内测和外侧的长度不同，累积在内侧的应力要比外侧大得多，在拉伸操作后，通过化学交联反应诱导并固定了拉直的弹簧纤维横截面上的应力梯度，进而得到可光致形变的纤维执行器。

在本方案中，含有光热转换的材料在光照射下能够吸收光并转化为热，含有光热转换的材料可以为碳纳米管、石墨烯、光吸收染料、光吸收油墨等。且根据光吸收剂对光照的反应不同，可使用不同的驱动光源进行纤维执行器的操控。

另外，在拉伸阶段时，硫醇基团和烯烃基团完全交联固化得到具有单轴取向的多自由度纤维执行器，该纤维执行器在光照时会从线型结构转变为螺旋结构，在转变过程中会发生弯曲、扭转、卷曲、卷曲形成的弹簧状执行器的收缩螺距变小。

具体的，螺旋型纤维前驱体的成分可选用含丙烯酸酯双键的液晶单体，含硫醇基团的交联剂以及光吸收剂的组合单体，组合单体溶解在有机溶剂中溶解得到混合溶液，超声分散混合溶液后加入催化剂催化组合单体之间发生化学交联，并置于螺杆模具初步固化形成螺旋型纤维前驱体。

在本方案的一实施例中，通过烯醇点击反应得到液晶弹性体低聚物，其中含丙烯酸酯双键的液晶单体选择RM82，含硫醇基团的单体选择DODT、PETMP，光吸收剂选择石墨烯，此时对应的纤维执行器可对近红外光做出响应选择RM82：DODT为1.67：1，DODT：PETMP为3：1的摩尔比，石墨烯的质量比为2％，有机溶剂选择为氯仿。当然，其他满足该条件的组合单体也可作为螺旋型纤维前驱体的材料。

催化剂还可选用(DPA二正丙胺，HexAM己胺，TEA三乙胺,N，N，N₀，N0-四甲基-1,8-萘二胺(PS)和1,8-二偶氮杂双螺环[5.4.0]十一-7-烯；1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)和15-二氮杂双环[4.3.0]非-5-烯(DBN)等，本实施例中选用2wt％的DPA作为催化剂。

在拉伸阶段，可将直线纤维拉伸10％-100％，并固定18-30h。，本方案的实施例将直线纤维拉伸50％；另外，本方案的一实施例中将直线纤维拉伸后固定24h。

本方案得到的纤维执行器的横截面积为0.001～100cm²，且所述纤维执行器材料为光致形变材料，该纤维执行器在光照刺激下可产生弯曲、扭转、卷曲及其卷曲纤维的收缩形变。

本方案提供一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动方法的系统，包括以上介绍得到的高形变自由度的纤维执行器、驱动光源以及负载物，其中纤维执行器由掺加光吸收剂的光响应材料制备得到，在驱动光源的刺激下由线性结构经历弯曲、扭转、卷曲及其卷曲纤维的收缩转变为螺旋结构；负载物悬挂在纤维执行器的末端，驱动光源，用于光照纤维执行器驱动纤维执行器自发产生周期持续机械运动。

具体的原理：驱动光源照射纤维执行器的特定位置时，部分被照射的纤维执行器发生形变并远离该光斑辐射区域运动，且远离光斑辐射的纤维执行器在离开光斑辐射区域后依旧会继续作远离运动，当离开光斑辐射区域的纤维执行器温度冷却后，纤维负载物在自由恢复力以及负载物的带动作用下快速形变回复，回到光斑辐射区域，进而发生往复运动。

值得一提的是，光斑辐射区域微小，当原先位于该光斑辐射区域内的纤维由线性结构转变为三维结构远离该光斑辐射区域时，纤维偏离该光斑辐射区域且形成三维结构，其他纤维并不会落入该光斑辐射区域内。另外，纤维下端的负载物质量与纤维执行器尺寸，模量具有较大的联系，在本方案中选用的纤维执行器直径为300微米左右，其下端负载的质量为0-10g。值得说明的是，纤维执行器的尺寸可以通过模具的尺寸来调节，如果尺寸足够大的话，下端负载物的质量则不做限制。

换言之，负载物悬挂在纤维执行器的末端，光照纤维执行器形成光斑照射区域，位于该光斑照射区域内的纤维执行器有远离光斑辐射区域的趋势，其在远离过程中使得纤维执行器在线性结构转变为螺旋结构，进而纤维执行器远离光斑辐射区域，而当离开光斑辐射区域的纤维执行器温度冷却后具有恢复线性结构的趋势，且其在负载的作用下快速回到光斑辐射区域，进而进行往复机械运动。

所述驱动光源为太阳光、紫外光、可见光、蓝光、红光和近红外光中的任意一种，驱动光源的选择取决于制备该纤维执行器的光吸收剂的类型，若光吸收剂吸收近红外光，则选择近红外光驱动光源。比如若光吸收剂为石墨烯，则选择近红外光作为驱动光源。

所述驱动光源的光强、光斑大小和尺寸是可以调节的，通过调节驱动光源的光强可调节纤维执行器的运动速率，通过调节驱动光源的光斑大小和尺寸可调节纤维执行器的运动范围。且所述驱动光源是固定地照射在纤维执行器的部分区域，以形成光斑辐射区域。

所述负载物不受形状、尺寸和重量限制，但负载物的重量应不大于所述纤维执行器的变形驱动力。且本方案的光控纤维执行器的下端的负载物可以在各种气体环境，及高阻尼液体环境中产生自发、周期性持续机械运动行为。

当负载物为置于线圈的磁棒内时，可通过本方案的方式驱动磁棒产生上下运动切割磁感线产生电流。

若负载物为光学反射镜时，纤维执行器带动光学反射镜产生不同模式的运动，当激光光束照射在反射镜上时则可以将激光光束进行转向或实现线形和波形光扫描。

第三方面，本方案提供一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动方法的方法，将负载物悬挂在纤维执行器的末端，驱动光源照射纤维执行器的任意位置，其中纤维执行器由掺加光吸收剂的光响应材料制备得到，在驱动光源的刺激下由线性结构经历弯曲、扭转、卷曲及其卷曲纤维的收缩转变为螺旋结构。纤维执行器的光吸收剂在受到驱动光源的刺激时产生光热激发效应，提高纤维执行器的温度，温度变化触发了光斑辐射区域的纤维的变形。

其中纤维执行器竖直挂置，负载物置于纤维执行器的下端。

当光照纤维执行器与负载物的连接部位，驱动纤维执行器产生持续的倾斜运动；此时，可通过控制驱动光源的强度来调节倾斜运动的振幅和频率，一般而言，驱动光强的光强越大，倾斜运动的幅度越大，对应的频率越低。此时可控制驱动光强的光强为0.01～10Wcm^-2，对应的，倾斜运动的振幅为±0～±90°，频率为0～100Hz。

当光照纤维执行器与负载物非连接的部位时，驱动纤维执行器产生持续的旋转运动；此时，通过控制光源的强度来调节旋转运动的振幅和频率，一般而言，驱动光强的光强越大，旋转运动的幅度越大，对应的频率越低。此时可控制驱动光强的光强为0.01～3W cm^-2，对应的，旋转运动的振幅为±0～±1000°，频率为01～10Hz。

当光照纤维执行器与负载物非连接的部位时，驱动纤维执行器产生持续的上下运动；此时，通过控制光源的强度来调节上下运动的振幅和频率，一般而言，驱动光强的光强越大，上下运动的幅度越大，对应的频率越低。此时可控制驱动光的光强为3～10W cm^-2，对应的，上下运动的振幅为±0～±2m，频率为0～100Hz。对于上下运动模式，纤维执行器在刺激下需要产生一个完整的缠绕形变，类似弹簧的效果，这样才能带动其产生上下运动。

需要说明的是，要产生上下运动模式需要的刺激源强度要更大一点，旋转运动模式在很小的刺激源强度下就能产生，以刺激源为光源为例，图12展示了光强和光斑尺寸对纤维执行器运动模式的影响示意图。光斑照射位置和光强大小对运动模式的影响；图12a为光斑照射在纤维与负载连接处，在低光强下不产生持续运动，当光强达到一定大小后，光斑宽度较小，且光强较小时产生倾斜运动，光强增加可产生旋转和倾斜复合运动。图12b为光斑照射在纤维与负载非连接部位时，在低光强和小的光斑宽度下只产生旋转运动，大光强，光斑尺寸较宽时可产生旋转运动和上下运动复合模式，在大光强且光斑尺寸适中时则会产生上下运动。

第四方面，本方案提供一种光控纤维执行器自发产生周期持续的复合机械运动方法的方法，将负载物悬挂在纤维执行器的末端，其中纤维执行器的材料为光致形变材料，在受到驱动光源的刺激时会由线性结构经历弯曲、扭转、卷曲及其卷曲纤维的收缩最终变为螺旋结构，光照纤维执行器形成光斑辐射区域，调节不同驱动光源的照射位置或光照，驱动纤维执行器产生复合机械运动。

其中复合机械运动包括倾斜运动和旋转运动的复合，此时，光照纤维执行器和负载物连接的部位，以及，光照纤维执行器与负载物非连接的部位，驱动纤维执行器产生复合机械运动，其中倾斜运动的振幅为±0～±90°，频率为0.01～100Hz。所述旋转运动的振幅为±0～±1000°，频率为0～10Hz。本方案中可通过调节光源的照射位置和强度，以调节实现旋转运动和倾斜运动的复合自发周期性持续机械行为。

其中复合机械运动包括上下运动和旋转运动的复合，此时，光照纤维执行器与负载物非连接的部位，其中上下运动模式的振幅为±0～±2m，频率为0～100Hz。旋转运动的振幅为±0～±1000°，频率为0～10Hz。所述方法通过光源的照射位置和强度调节实现旋转运动和上下运动模式复合自发周期性持续机械行为。

为了对本方案进行后续的实验操作，故提供制备实施例1：

按照RM82:DODT为1.67:1，DODT:PETMP为3:1的摩尔比，石墨烯的质量比为2％，确保碳碳双键和硫醇基团为1:1的单体比例将单体混合并溶解在氯仿中，超声分散4h后，在混合溶液加入2wt％的DPA作为催化剂，振荡溶解后，将前驱体溶液利用毛细作用力填充到螺纹模具中，在室温下反应2h后，小心的从模具上剥离得到未完全交联的螺旋型纤维前驱体；将制备的未完全交联的螺旋形纤维通过拉伸、解捻得到直线纤维，继续将直线纤维拉伸50％并固定24h使硫醇和烯烃完全交联固化得到具有单轴取向的多自由度纤维执行器。

具体的，以下将以制备实施例1得到的纤维执行器为了进行实验说明：

实施例1：光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生倾斜运动：

在制备例1中得到的纤维执行器(长度为2.5cm)下方悬挂一负载物，用近红外光源照射纤维与负载物连接处，其中近红外光源光斑尺寸为10mm×0.8mm，光强为3.5W cm^-2。

结果：如图3所示，打开近红外光源后，纤维执行器的下端负载产生持续的倾斜运动，频率和振幅分别为15Hz和±8°。图1下方的图示意该纤维执行器的倾斜角度变化。

实施例2：光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生旋转运动：

重复实施例1的实验，不同的是近红外光光源照射的位置在纤维与负载物非连接部位，

结果：如图4所示，打开近红外光源后，纤维执行器的下端负载产生持续的旋转运动，频率和振幅分别为2.3Hz和±53°。

实施例3：光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生上下运动：

重复实施例1的实验，不同的是近红外光光源照射的位置在纤维与负载物非连接部位，近红外光光强为5.0W cm^-2。

结果：如图5所示，打开近红外光源后，纤维执行器的下端负载产生持续的上下运动，频率和振幅分别为12.5Hz和±1.5mm。

实施例4：光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生倾斜运动和旋转运动的复合自发周期性持续机械行为：

重复实施例1实验，不同的是近红外光光强为4.5W cm^-2，光斑照射在纤维与负载连接部位，

结果：如图6所示，打开近红外光源后，纤维执行器的下端负载物产生倾斜运动和旋转运动的复合自发周期性持续机械行为，旋转运动频率和振幅分别为1.9Hz和±50°，倾斜运动频率和振幅分别为14Hz和±12°。

实施例5：光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生上下运动和旋转运动的复合自发周期性持续机械行为：

重复实施例1实验，不同的是近红外光光源的光斑尺寸为15mm×0.8mm，近红外光光强为4.5W cm^-2，光源照射在纤维与负载非连接部位。

结果：如图7所示，打开近红外光源后，纤维执行器的下端负载物产生上下运动和旋转运动的复合自发周期性持续机械行为，旋转运动频率和振幅分别为0.48Hz和±75°，上下运动频率和振幅分别为8.5Hz和±1.1mm

实施例6：在流体界面上的光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在光刺激下产生旋转运动：

重复实施例1实验，不同的是将执行器下端的负载物浸没在液体中或者气液界面上。

结果如图8所示，打开近红外光源后，纤维执行器的在光刺激下可以带动下端悬挂的负载物在流体界面和流体中产生持续的旋转运动。

实施例7：光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统在聚集太阳光刺激下产生倾斜运动：

重复实施例1实验，不同的是所用的光源为聚集太阳光，光强约为3.5Wcm^-2。聚集太阳光的产生由太阳光直接照射在一个直径为20cm，焦距为12.5cm的菲涅尔透镜上。

结果：如图9所示：纤维执行器的在聚集太阳光照射下可以产生持续的倾斜运动。

实施例8：光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统用于激光引导的应用

在制备例1得到的纤维执行器下端悬挂一个光学反射镜(纤维长度为2.5cm，小圆片直径为1cm)，将一束或者多束激光照射在光学反射镜上形成光的反射，然后再用近红外光辐照纤维执行器产生持续的机械运动行为，从而改变光的路径或者光斑轨迹。

结果：如图10所示：根据实施例一、二和四来调节机械运动模式，得到倾斜运动、旋转运动和复杂自发、周期性持续机械运动，在这三种模式下反射光线的路径分别如图8中d/e/f所示。

实施例9：光控纤维执行器产生自发、周期性持续机械运动行为系统用于能量的收集装置

在制备例一得到的纤维执行器下端悬挂一圆柱形钕铁硼磁棒(纤维长度为2.5cm，磁棒长度为1cm)，再用一个环形的铜线圈包围在磁棒(线圈直径约为1cm)铜线圈两个引线连接一微电流传感器，然后用近红外光辐照纤维执行器带动磁棒产生持续的上下运动。

结果：如图11所示：磁棒在上下运动时会切割磁感线，产生电流信号，实现光能转换为机械能再到电能，实现光能的捕获。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，其特征在于，包括以下步骤：将负载物悬挂在纤维执行器的末端，驱动光源照射纤维执行器的任意位置，其中纤维执行器的原材料为掺杂或键合光热转换的光响应材料，通过螺纹结构模具成型为弹簧形纤维再拉伸为伸直状态得到光控纤维执行器；在驱动光源的刺激下纤维执行器可由线性结构经历弯曲、扭转、卷曲及其卷曲纤维的收缩转变为螺旋结构，驱动光源照射纤维执行器的特定位置时，部分被照射的纤维执行器发生形变并远离光斑辐射区域运动。

2.根据权利要求1所述的光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，其特征在于，纤维执行器采用以下方式制备得到：将含有液晶基元的单体与含有光热转换的材料通过键合或掺杂的方式通过烯醇点击反应、迈克尔加成反应或自由基聚合在具有螺纹结构的模具中初步聚合成型，剥离得到未完全交联的螺旋型纤维前驱体；将未完全交联的螺旋型纤维前驱体通过拉伸、解捻得到直线纤维，继续将直线纤维拉伸设定比例后固定形状和取向。

3.根据权利要求1所述的光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，其特征在于，改变驱动光源的光强、光斑尺寸和照射位置驱动纤维执行器产生不同的机械运动模式，包括倾斜运动、旋转运动以及上下运动的至少一种。

4.根据权利要求3所述的光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，其特征在于，当驱动光源照射纤维执行器与负载物的连接部位，驱动纤维执行器产生持续的倾斜运动，倾斜运动的振幅为±0～±90°，频率为0～100Hz。

5.根据权利要求3所述的光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，其特征在于，当驱动光源照射纤维执行器与负载物非连接的部位时，旋转运动的振幅为±0～±1000°，频率为0～10Hz；当驱动光源照射纤维执行器与负载物非连接的部位时，驱动纤维执行器产生持续的上下运动，上下运动的振幅为±0～±2m，频率为0～100Hz。

6.根据权利要求3所述的光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，其特征在于，调节不同驱动光源的照射位置或光照，驱动纤维执行器产生复合机械运动，其中复合机械运动包括倾斜运动和旋转运动的复合，以及，上下运动和旋转运动的复合。

7.根据权利要求1所述的光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，其特征在于，负载物置于各种气体环境，及高阻尼液体环境中。

8.根据权利要求1所述的光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，其特征在于，负载物为置于线圈内的磁棒，驱动光源驱动磁棒产生上下运动切割磁感线产生电流。

9.根据权利要求1所述的光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的方法，其特征在于，负载物为光学反射镜，驱动光源带动光学反射镜产生不同模式的运动，当激光光束照射在光学反射镜上时，将激光光束进行转向或实现线形和波形光扫描。

10.一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动的系统，其特征在于，包括：

纤维执行器，其中纤维执行器由掺杂或键合光热转换的光响应材料制备得到，在驱动光源的刺激下由线性结构经历弯曲、扭转、卷曲及其卷曲纤维的收缩转变为螺旋结构；

负载物，悬挂在纤维执行器的末端；以及

驱动光源，用于光照纤维执行器驱动纤维执行器自发产生周期持续机械运动，驱动光源照射纤维执行器的特定位置时，部分被照射的纤维执行器发生形变并远离光斑辐射区域运动。

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