基于刺激響應聚合物的人造肌肉通常表現出機械順應性、多功能性和高功率重量比，顯示出有可能取代傳統剛性電機用于下一代軟機器人、可穿戴電子產品和生物醫學設備的巨大前景。特別是，熱機械液晶彈性體(LCE)構成的人造肌肉類執行器，可以遠程觸發大行程、快速響應和高度可重復的驅動。與天然肌肉相比，雖然LCE的速度相對較慢且能量效率低下，但這種依賴于相位和溫度的聚合物鏈構象變化仍會導致肌肉樣、大、可逆的宏觀形狀變形。據報道，具有單軸排列的LCE表現出高達400%的自發長度變化，但它們的整體變形主要限于單自由度(DOF)拉伸行程。此外，肌肉雖然同樣限于收縮驅動，但可以以實現幾乎無限自由度的方式排列，如章魚觸手的肌肉靜水器附件。盡管LCE致動器系統近年來已經取得了巨大進步，但目前還沒有包含用于控制的感覺反饋的純LCE系統。這種缺失可能會限制在機器人中使用LCE的好處，除非可以實現傳感的無縫集成。

 

鑒于此，美國康奈爾大學Robert F. Shepherd教授團隊引入了兩個新概念來解決目前的挑戰:(1)在3D打印LCE軟執行器中使用數字光處理(DLP)；(2)使用機械應變的光電測量，使打印的LCE執行器具有自感知功能。通過內置的剪切分離機制實現了LC介晶元的剪切流誘導對準，并制作了用于可編程彎曲和大拉伸行程的單片LCE驅動器。這些驅動基元在3D打印LCE軟執行器的最高工作能力下允許操作和運動模式（握力、爬行和舉重）。此外，通過使用適用于機器人、柔性電子和醫療設備的光電子技術還實現LCE執行器的實時反饋。相關工作以“Digital light processing of liquid crystal elastomers for self-sensing artificial muscles”為題發表在國際頂級期刊《Science Advances》上。

熱機械液晶彈性體的制備及數字光處理

 

為了配制LCE液體樹脂，研究人員選擇了一鍋硫醇-丙烯酸酯/硫醇-烯點擊反應（圖1A）。用于合成熱機械LCE的介晶單體分別是RM257和RM82、柔性連接劑為EDDT和三乙烯基交聯劑（TATATO）。由于混合物缺乏在室溫下連續DLP實驗優選的流動特性（T m=41°C)，采用二氯甲烷(DCM)和四氫呋喃(THF)輔助來改變其流變行為，揮發性溶劑在印刷后被去除。添加1% (wt%)的光引發劑二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(TPO)可實現高效光固化，在紫外線(UV)照射3秒內實現近90%的凝膠化（UV投影儀：λ = 405 nm, I = 11.4 mW cm -2）。通過使用商用桌面DLP 3D打印機Ember制造LCE執行器，主要是因為其內置的剪切分離機制。樹脂托盤循環旋轉的示意圖如圖1D所示，最初設置是為了減少打印部件和構建窗口之間的吸力，這種旋轉運動被重新編程以實現對LCE中導向器對齊的空間控制。當在每個薄層(20 μm)上滑動時，施加在可光聚合LCE液體樹脂上的剪切力使柔性聚合物鏈主鏈中的LC介晶對齊。在松弛的時間尺度內，聚合物鏈通過投射的紫外光聚合和交聯，以鎖定面內取向順序，形成低模量主鏈LCE。這種對準程序類似于在有限空間內制造LCE微致動器的成熟剪切流場方法。除了在沒有預交聯的情況下實現LCE機械取向的內置剪切對齊之外，用于選擇性光聚合的紫外線的空間和時間控制進一步實現了與高分辨率并行的眾多致動器的快速制造。為了抑制每一層聚合樹脂粘附在構建窗口上，研究人員用聚甲基戊烯(PMP)代替了傳統的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，因為PMP的表面張力低得多(<20 mN m -1)，透氧性更高和出色的透光率（25 mm樣品在405 nm處>90%）。通過重新編程樹脂托盤的滑動運動，實現了快速接近速度和使剪切分離力最大化的緩慢分離速度。
 

圖1 熱機械液晶彈性體的數字光處理

 

 

為了證明打印的LCE的對象操縱能力，研究人員打印了一個夾子（尺寸，18 mm×15 mm×0.2 mm；m = 75 mg）。連接到質心的L形細繩懸掛LCE夾持器并協助舉起更重的物體，例如金屬彈簧（m= 600 mg）。當夾持器接近預熱的彈簧時，它會沿著垂直于其剪切打印方向的軸卷曲，并在沒有任何外部控制的情況下纏繞在彈簧上。通過將自動抓握的彈簧轉移到接收器容器中，即使在不斷扭動琴弦時LCE抓手也可以保持牢固的抓握力超過25秒。此外，研究人員還通過利用局部熱刺激演示了軟機器人的爬行（尺寸，118 mm×15 mm×0.2 mm）。受氣動四足動物步態序列的啟發，波動序列設計為四個步驟，從靜止狀態開始：（i）加熱前肢（大約前三分之一段）通過將前緣靠在錨定點上來拉起機器人;（ii）加熱軀干（大約中間三分之一部分）進一步抬起脊椎并將后緣拖向其先前位置之前的新錨定點；（iii）加熱后肢（大約后三分之一段）使其彎曲到更大的程度，儲存彈性能量關閉熱量，釋放彈性能量與依次放松前肢、軀干和后肢相結合，推動機器人向前推進，進入新的休息狀態，為另一個驅動序列做好準備。LCE軟機器人在棘輪表面上移動速度為20 mm min-1。
 

圖2 LCE的對象操作和移動

 

當在剪切打印方向上連接到懸掛重物時，LCE聚合物網絡沿相同方向拉伸，所有棒狀LC介晶與聚合物主鏈平行排列。通過這種方式，彎曲致動器可以轉化為線性致動器。為了展示它們的舉重能力并衡量這些印刷LCE的工作能力，研究人員制造了狗骨形執行器。通過將衣架和重物安裝到執行器的肩膀上，只有儀表部分（尺寸，25 mm×2 mm×0.8 mm）暴露在施加熱機械收縮力以響應施加的熱量。結果表明，每單位質量執行器所做的功（m = 56 mg），幾乎與加載重量的質量成正比，最大為40 g（執行器自重的700 多倍），驅動應變逐漸衰減。最值得注意的是，該系統完成的最大特定功為 63 J kg-1，高于大多數3D打印LCE和人類骨骼肌，這歸因于增加的致動器厚度的增加。
 

圖3 LCE執行器的舉重運動

 

 

類似于在現代顯示技術中使用液晶，形狀記憶LCE也可以操縱光學雙折射進行光機械轉換，例如溫控變形傳感器。研究人員通過將微型光電元件與彎曲致動器耦合，將光學傳感嵌入到LCE矩陣中（如圖4）。DLP打印的LCE懸臂執行器（尺寸，15 mm×5 mm×0.8 mm）可以經歷兩種彎曲變形模式，即熱誘導（例如，90°C陣風；模式1）或非熱誘導（例如切換導致彎曲；模式2）。在模式1中，最初不透明的多疇LCE在響應熱刺激進入各向同性狀態時變得對光透明。例如，這種光學清晰度允許耦合光束通過紅外發光二極管(LED)從一端傳播；一些輻射到環境中，其余的在另一端反射回來，隨后被放置在光源旁邊的光電探測器接收。通過這種方式可以測量有損LCE波導的光信號以指示其自身的彎曲變形。在模式2中，雖然彎曲的幅度相似，但LCE保持其多疇狀態完整，防止耦合光束傳播，因此，光電探測器將不會捕獲顯著的信號變化。該原型演示將軟熱機械驅動與之前在其他類別的軟執行器中使用的光電應變傳感相結合，引入了用于電位反饋控制的自感應LCE執行器。相同的原理也可以擴展到多疇-單疇相變，用于監測同一材料系統中的伸長率和隨之而來的硬化。
 

圖4

 

小結：作者介紹了一種基于數字光處理(DLP)的增材制造方法，該方法逐層自動剪切對齊介晶低聚物，以在光交聯結構中實現高取向順序；這種排序產生高比功（63 J kg-1）和能量密度（0.18 MJ m-3)。展示了由DLP打印的LCE執行器在軟機器人中的應用，例如可逆抓取、無繩爬行和舉重。此外，作者還提出了一種LCE自感系統，該系統利用熱致光學躍遷作為反饋控制的內在選擇，使該領域更進一步朝著LCE中的自然肌肉樣感覺運動系統邁進。

 

全文鏈接：

 

https://advances.sciencemag.org/content/7/30/eabg3677