在將光和熱等外部刺激轉換為運動的機械晶體的開發中，迄今為止一直使用光異構化、相變和光熱效應等現象作為驅動源，但這種方式很難實現高速和大幅運動。早稻田大學奈米與生命創新研究機構特聘研究員小島秀子、該校理工學術院教授朝日透以及日本學術振興會特別研究員（DC1）萩原佑紀等人的研究團隊，與東京工業大學教授森川淳子等人發現將光照射在晶體上會引發固有振動從而產生高速彎曲。此外，研究團隊還全球首次發現，通過施加與該固有振動相同頻率的光，彎曲幅度會因共振而被大幅放大。這一發現有望實現通用度極高的高速晶體致動器和柔性機器人。相關研究已經發表在《Nature Communications》上。
圖1. 固有振動引發的晶體高速彎曲和模擬結果（供圖：早稻田大學）
將光、熱等外界刺激轉換為運動的機械晶體有望應用於輕而柔軟的致動器和柔性機器人。在過去的15年裏，特聘研究員小島等人專注於作為驅動晶體的光異構化和相變，並開發了許多機械晶體。然而，光異構化和相變的晶體數量有限。尤其是光異構化，存在彎曲動作慢到數秒、厚的晶體不彎曲等問題。
2020年，研究團隊發現通過光熱效應，厚晶體也會以25赫茲的高速度彎曲。之後使用另一種晶體，通過模擬揭示了由光熱效應引發的彎曲機制。然而，這種光熱效應引起的彎曲只有0.2～0.5度，無法產生大幅動作。
圖2.共振固有振動的形狀依賴性和輸出特性（供圖：早稻田大學）
固有振動是對物體施加外營力後，以特定頻率（固有振動頻率）持續振動的現象。當施加與固有振動頻率相同的外力時，就會發生共振，從而放大振動幅度。吉他和薩克斯等樂器通過琴絃和簧片的動作產生聲音（振動），並通過在盒子或管子内產生共振來放大聲音。儘管固有振動在日常生活中廣泛存在，但從製造運動材料的角度來看，卻很少受到關注。
研究團隊最初將注意力集中在了熱膨脹較大的有機晶體上，希望通過光熱效應產生較大的彎曲，在此過程中，研究團隊首次發現了由光熱效應引發的100毫秒、1.2度的大幅彎曲，以及在390赫茲高速下的0.1度微小固有振動。當照射與該固有振動相同的390赫茲的脈衝光時，由於產生共振，固有振動的幅度被放大到3.4度。也就是說，在世界上首次發現了通過共振固有振動，可以得到來自晶體的高速且大幅的彎曲。
為了闡明這一機制，研究團隊進行了一種假設，即光熱效應產生的熱量在晶體內傳導形成的溫度梯度使晶體變形，同時產生熱應力引起晶體振動，研究團隊模擬了晶體的彎曲，結果發現，無共振的彎曲和因共振而放大的彎曲均能重現。
此外，通過改變晶體的形狀可以產生200～700赫茲的不同共振固有振動，並發現在長而薄的晶體上可以產生較大的彎曲，而在短而厚的晶體上可以產生快速的彎曲。將這種共振固有振動的彎曲速度和從光到彎曲運動的能量轉換效率，與光異構化、光熱效應和非共振固有振動引起的彎曲進行比較，結果顯示，最快彎曲速度為0.2～0.7米/秒，最高能量轉換效率為0.1%以下。
本次研究首次發現了晶體可以通過共振固有振動高速大幅彎曲的現象，並且通過模擬成果再現。通過關注固有振動的共振，高速且大幅度彎曲任何晶體將成為可能。此外，由於彎曲可以模擬，因此可以通過改變晶體的類型和尺寸、光照射條件等因素來設計所需的運動。
特聘研究員小島表示：「過去15年來，有關光動力晶體有許多研究成果被發表。本次研究的發現表明，通過共振固有振動可以使任何晶體進行高速、大幅度的運動。我們相信通過這項研究成果，機械晶體將進入實際應用於致動器和柔性機器人的階段。今後我們會針對致動器和柔性機器人相關應用，從基礎研究到實際應用進行廣泛研究。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Photothermally induced natural vibration for versatile and high-speed actuation of crystals
DOI ：10.1038/s41467-023-37086-8
