光热自激振荡器（photothermal self-excited oscillator）因无线的供能与控制，在构建自主软体机器人中展示出巨大的前景。以往的研究主要通过提高光热材料的性能以实现更高的输出，而忽视热量的耗散管理。事实上，散热的效率会限制其输出性能，特别是在水下环境。近期，加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授及博士后陈驰受海獭启发，提出利用空气水膜（air plastron）来大幅提高水下光热驱动的输出，同时利用气泡的全反射效应实现了新的自振荡机制。

  该工作以“Air plastron–enabled heat management for enhanced photothermal actuation in underwater soft robots”为题发表《Science Advances》上（Sci. Adv.11,eadx7189），文章第一作者为施鹏举博士和陈驰博士。

  具体而言，研究团队受两栖哺乳动物利用空气水膜实现热绝缘的自然现象启发，在液晶弹性体（liquid crystal elastomer, LCE）驱动器表面引入了超疏水蜡烛烟灰（candle soot）涂层，从而稳定捕获一层空气膜。这一空气膜被证明显著地提升了水下的热绝缘性能，增强了内部温度梯度，计算得到的机械输出功提高了282倍。

  更为重要的是，该研究揭示了一种此前未被报道的自振荡机制：空气水膜所引发的全内反射效应，使驱动器的运动方向得以与光照方向解耦。这意味着机器人不仅能在垂直光源下实现持续自驱动，还能在水平光源照射下灵活调整运动方向。凭借这一增强的输出能力与机动性，研究团队展示了多种基于自激振荡的水下机器人，它们能够在水下和水面上实现连续自主运动，为新一代高性能水环境软体机器人提供了全新范式。

图1空气水膜增强的水下光热驱动原理与设计。

图2 空气水膜在水下的热管理效果及性能提升。

图3 空气水膜引发的自振荡机制。

图4水下驱动器的振荡性能。

图5 空气水膜增强驱动器在多种水环境中的应用展示。

  原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx7189

研究团队介绍：

  该工作是贺曦敏团队近期关于软体机器人工作的总结。在过去几年中，团队的研究包括Sci. Robot. 10, eads1292(2025); Nat. Mat. 24, 116-124(2025); Sci. Robot. 8, eadf4753(2023); Sci. Robot. 6, eabd5483(2021); Sci. Robot. 4, eaax7112(2019); Nat. Nanotech. 14, 11(2019)等。此外，该团队在水凝胶高力学性能方面也有相关进展：“盐析”效应(Nature 590, 594 (2021); Adv. Mater. 2021, 33, 2007829; NPG Asia Materials, 14, 65 (2022); iScience, 24, 9, 102989, 2021), 和共溶剂效应(Advanced Materials, 35(18), 2211673; Adv. Mater. 2021, 33, 2008235；Adv. Mater. 2021, 33, 2005906；EcoMat. 2021; 3:e12085)。

  下载：论文原文