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              清華大學危巖教授和吉巖副教授課題組:多材料組成的無縫三維液晶彈性體驅動器
              2020-03-02  來源:高分子科技

                近年來,柔性機器人在生物醫學和航空航天等各領域顯示出巨大的應用潛力。其中,全柔性機器人,因其更加安全的人機互動、更好的驅動性能以及能夠避免由軟硬材料結合界面引起的反復故障等優點而備受關注。液晶彈性體(Liquid-Crystalline Elastomers, LCEs),因其具有優異的雙向形狀記憶性能及多種刺激響應性能,在全柔性機器人的制備中具有十分明顯的優勢。為了使液晶彈性體全柔性機器人展示出更高的靈活性和實現更加復雜的功能,通常需要將不同網絡結構和化學組成的液晶彈性體材料結合,從而使其不同的部位根據不同的需求展現出不同的功能。然而,目前的液晶彈性體全柔性機器人大多基于同種材料,缺乏能夠制作由多種材料構成的液晶彈性體全柔性機器人的方法。

                近日,清華大學化學系危巖教授和吉巖副教授課題組提出了一種能夠將不同種類的液晶彈性體材料在取向的同時進行焊接的方法,用于制作多材料液晶彈性體全柔性機器人。該方法利用巰基和碳碳丙烯酸雙鍵的“點擊反應”在室溫構建多疇液晶彈性體體系,并使體系中“存有”過量的雙鍵。這些過量的雙鍵高溫時在預先“嵌入”體系的熱引發劑AIBN的引發下進行熱聚合反應,進而能夠同時實現液晶彈性體的取向及焊接(圖1)。

               

              圖1、LCEs的取向及焊接演示圖。(A)基于過量丙烯酸雙鍵的焊接原理演示。(B)基于過量丙烯酸雙鍵的取向原理演示。(C)基于AIBN熱引發的丙烯酸雙鍵聚合機理。(D)通過同時“取向”與“焊接”實現單疇LCEs的焊接效果。標尺:5 mm。

                使用這種基于“碳碳丙烯酸雙鍵過量”的方法,不僅能夠得到熱驅動穩定性能十分優異的多種雙向形狀記憶模式(例如,絲帶狀螺旋-解螺旋、彈簧狀螺旋-解螺旋、卷曲-伸直、彎曲-伸直以及凸起-平整)(圖2),同時,還能夠實現液晶彈性體片狀樣品之間的無縫焊接,當使用“同時取向和焊接”這種方法時,則能夠得到結構靈活復雜且熱驅動性能穩定的多種三維柔性驅動器(圖3)。

               

              圖2、LCEs的驅動性能。(A)LCE-1的化學組成。(B)LCEs的雙向螺旋-解螺旋熱驅動模式。(C)LCEs的雙向卷曲-伸直(左)、彎曲-伸直(中)以及凸起-平整(右)熱驅動模式。(D)1000圈熱驅動前后LCEs的驅動穩定性。標尺:5 mm。

               

              圖3、焊接成功的證據及形成的三維柔性驅動器。(A)焊接前后的SEM。(B)不同雙向熱驅動模式的結合。(C)“風車”柔性驅動器。(D)“電風扇”柔性驅動器進行旋轉運動的連續過程。(E)“章魚”柔性驅動器。標尺:5 mm。

                除了同種LCEs材料的不同驅動模式的結合,該方法還能夠實現不同種類LCEs材料的焊接,以實現整體材料的多功能性(例如,能夠得到可以用程序升溫控制的三段式甚至多段式逐步雙向柔性驅動器,以及可以對光和熱進行雙重響應且在光和熱的刺激下驅動模式不同的復合柔性驅動器)(圖4)。此外,該方法還可用于無縫焊接由完全不同的化學成分組成的完全不同體系的LCEs,以實現將所得到的柔性機器人的性質和功能復雜化,擴展其應用(圖5)。

               

              圖4、焊接異種LCEs實現多功能復合柔性驅動器。(A)可用程序升溫控制的三段式逐步雙向柔性驅動器。(B)不同種刺激源下驅動模式不同的復合光、熱雙重響應柔性驅動器。標尺:5 mm。

               

              圖5、完全不同體系及化學組成LCEs的焊接。(A)以PMMS為主鏈的完全不同體系及化學組成的側鏈型液晶彈性體LCE-5的化學組成和網絡結構演示。(B)完全不同體系及化學組成的主鏈型LCE-1和側鏈型LCE-5的焊接及演示。標尺:5 mm。

                這種同時作用在LCEs上的“取向”和“焊接”方法在制備三維柔性驅動器方面具有以下四個優勢:1)形成的三維柔性驅動器熱穩定性十分優異;2)能夠形成多種熱驅動以及紅外光驅動雙向形狀記憶模式,擴展了柔性機器人的運動模式;3)焊接方法所具有的“任意性”使得該方法可以根據需求形成任意形狀的三維柔性驅動器,大大拓展了其種類;4)通過雙鍵熱聚合反應的“通用性”,使得不同體系、不同化學組成的液晶彈性體能夠被無縫焊接在一起,形成多功能多材料的液晶彈性體全柔性機器人,使其具有廣闊的應用前景。該方法普遍適用于體系內含有過量丙烯酸碳碳雙鍵的液晶彈性體,能夠將更多由結構及化學組成不同帶來的優異性能引入液晶彈性體柔性機器人的制作中,從而實現更加復雜的功能,極大擴展了液晶彈性體柔性機器人的應用。

                相關結果發表在Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.aay8606。文章的共同第一作者為清華大學化學系張宇白博士生和王振華博士,通訊作者為清華大學的危巖教授吉巖副教授。清華大學化學系楊洋博士陳巧梅博士錢曉杰博士梁歡博士生、仵雅禾博士生和徐艷雙博士參與了該研究。

                論文鏈接:

                Seamless multimaterial 3D liquid-crystalline elastomer actuators for next-generation entirely soft robots, 

                https://advances.sciencemag.org/content/6/9/eaay8606

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              (責任編輯:xu)
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