在将光和热等外部刺激转换为运动的机械晶体的开发中，迄今为止一直使用光异构化、相变和光热效应等现象作为驱动源，但这种方式很难实现高速和大幅运动。早稻田大学纳米与生命创新研究机构特聘研究员小岛秀子、该校理工学术院教授朝日透以及日本学术振兴会特别研究员（DC1）萩原佑纪等人的研究团队，与东京工业大学教授森川淳子等人发现将光照射在晶体上会引发固有振动从而产生高速弯曲。此外，研究团队还全球首次发现，通过施加与该固有振动相同频率的光，弯曲幅度会因共振而被大幅放大。这一发现有望实现通用度极高的高速晶体致动器和柔性机器人。相关研究已经发表在《Nature Communications》上。
图1. 固有振动引发的晶体高速弯曲和模拟结果（供图：早稻田大学）
将光、热等外界刺激转换为运动的机械晶体有望应用于轻而柔软的致动器和柔性机器人。在过去的15年里，特聘研究员小岛等人专注于作为驱动晶体的光异构化和相变，并开发了许多机械晶体。然而，光异构化和相变的晶体数量有限。尤其是光异构化，存在弯曲动作慢到数秒、厚的晶体不弯曲等问题。
2020年，研究团队发现通过光热效应，厚晶体也会以25赫兹的高速度弯曲。之后使用另一种晶体，通过模拟揭示了由光热效应引发的弯曲机理。然而，这种光热效应引起的弯曲只有0.2～0.5度，无法产生大幅动作。
图2.共振固有振动的形状依赖性和输出特性（供图：早稻田大学）
固有振动是对物体施加外力作用后，以特定频率（固有振动频率）持续振动的现象。当施加与固有振动频率相同的外力时，就会发生共振，从而放大振动幅度。吉他和萨克斯等乐器通过琴弦和簧片的动作产生声音（振动），并通过在盒子或管子内产生共振来放大声音。尽管固有振动在日常生活中广泛存在，但从制造运动材料的角度来看，却很少受到关注。
研究团队最初将注意力集中在了热膨胀较大的有机晶体上，希望通过光热效应产生较大的弯曲，在此过程中，研究团队首次发现了由光热效应引发的100毫秒、1.2度的大幅弯曲，以及在390赫兹高速下的0.1度微小固有振动。当照射与该固有振动相同的390赫兹的脉冲光时，由于产生共振，固有振动的幅度被放大到3.4度。也就是说，在世界上首次发现了通过共振固有振动，可以得到来自晶体的高速且大幅的弯曲。
为了阐明这一机制，研究团队进行了一种假设，即光热效应产生的热量在晶体内传导形成的温度梯度使晶体变形，同时产生热应力引起晶体振动，研究团队模拟了晶体的弯曲，结果发现，无共振的弯曲和因共振而放大的弯曲均能重现。
此外，通过改变晶体的形状可以产生200～700赫兹的不同共振固有振动，并发现在长而薄的晶体上可以产生较大的弯曲，而在短而厚的晶体上可以产生快速的弯曲。将这种共振固有振动的弯曲速度和从光到弯曲运动的能量转换效率，与光异构化、光热效应和非共振固有振动引起的弯曲进行比较，结果显示，最快弯曲速度为0.2～0.7米/秒，最高能量转换效率为0.1%以下。
本次研究首次发现了晶体可以通过共振固有振动高速大幅弯曲的现象，并且通过模拟成果再现。通过关注固有振动的共振，高速且大幅度弯曲任何晶体将成为可能。此外，由于弯曲可以模拟，因此可以通过改变晶体的类型和尺寸、光照射条件等因素来设计所需的运动。
特聘研究员小岛表示：“过去15年来，有关光动力晶体有许多研究成果被发表。本次研究的发现表明，通过共振固有振动可以使任何晶体进行高速、大幅度的运动。我们相信通过这项研究成果，机械晶体将进入实际应用于致动器和柔性机器人的阶段。今后我们会针对致动器和柔性机器人相关应用，从基础研究到实际应用进行广泛研究。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Photothermally induced natural vibration for versatile and high-speed actuation of crystals
DOI ：10.1038/s41467-023-37086-8
