基于刺激響應(yīng)聚合物的人造肌肉通常表現(xiàn)出機械順應(yīng)性、多功能性和高功率重量比，顯示出有可能取代傳統(tǒng)剛性電機用于下一代軟機器人、可穿戴電子產(chǎn)品和生物醫(yī)學設(shè)備的巨大前景。特別是，熱機械液晶彈性體(LCE)構(gòu)成的人造肌肉類執(zhí)行器，可以遠程觸發(fā)大行程、快速響應(yīng)和高度可重復(fù)的驅(qū)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(gòu)象變化仍會導致肌肉樣、大、可逆的宏觀形狀變形。據(jù)報道，具有單軸排列的LCE表現(xiàn)出高達400%的自發(fā)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(qū)動，但可以以實現(xiàn)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(tǒng)近年來已經(jīng)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(tǒng)。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(xiàn)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(zhàn):(1)在3D打印LCE軟執(zhí)行器中使用數(shù)字光處理(DLP)；(2)使用機械應(yīng)變的光電測量，使打印的LCE執(zhí)行器具有自感知功能。通過內(nèi)置的剪切分離機制實現(xiàn)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(qū)動器。這些驅(qū)動基元在3D打印LCE軟執(zhí)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(yī)療設(shè)備的光電子技術(shù)還實現(xiàn)LCE執(zhí)行器的實時反饋。相關(guān)工作以“Digital light processing of liquid crystal elastomers for self-sensing artificial muscles”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Science Advances》上。

熱機械液晶彈性體的制備及數(shù)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(yīng)（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(lián)劑（TATATO）。由于混合物缺乏在室溫下連續(xù)DLP實驗優(yōu)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(fā)性溶劑在印刷后被去除。添加1% (wt%)的光引發(fā)劑二苯基(2,4,6-三甲基苯甲?；?氧化膦(TPO)可實現(xiàn)高效光固化，在紫外線(UV)照射3秒內(nèi)實現(xiàn)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(zhí)行器，主要是因為其內(nèi)置的剪切分離機制。樹脂托盤循環(huán)旋轉(zhuǎn)的示意圖如圖1D所示，最初設(shè)置是為了減少打印部件和構(gòu)建窗口之間的吸力，這種旋轉(zhuǎn)運動被重新編程以實現(xiàn)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(nèi)，聚合物鏈通過投射的紫外光聚合和交聯(lián)，以鎖定面內(nèi)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(nèi)制造LCE微致動器的成熟剪切流場方法。除了在沒有預(yù)交聯(lián)的情況下實現(xiàn)LCE機械取向的內(nèi)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(xiàn)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(gòu)建窗口上，研究人員用聚甲基戊烯(PMP)代替了傳統(tǒng)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(xiàn)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(shù)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(zhì)心的L形細繩懸掛LCE夾持器并協(xié)助舉起更重的物體，例如金屬彈簧（m= 600 mg）。當夾持器接近預(yù)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(zhuǎn)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(tài)序列的啟發(fā)，波動序列設(shè)計為四個步驟，從靜止狀態(tài)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(guān)閉熱量，釋放彈性能量與依次放松前肢、軀干和后肢相結(jié)合，推動機器人向前推進，進入新的休息狀態(tài)，為另一個驅(qū)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(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)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(zhí)行器。通過將衣架和重物安裝到執(zhí)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(yīng)施加的熱量。結(jié)果表明，每單位質(zhì)量執(zhí)行器所做的功（m = 56 mg），幾乎與加載重量的質(zhì)量成正比，最大為40 g（執(zhí)行器自重的700 多倍），驅(qū)動應(yīng)變逐漸衰減。最值得注意的是，該系統(tǒng)完成的最大特定功為 63 J kg-1，高于大多數(shù)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(zhí)行器的舉重運動

 

 

類似于在現(xiàn)代顯示技術(shù)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(zhuǎn)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(zhí)行器（尺寸，15 mm×5 mm×0.8 mm）可以經(jīng)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(yīng)熱刺激進入各向同性狀態(tài)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(fā)光二極管(LED)從一端傳播；一些輻射到環(huán)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(tài)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(qū)動與之前在其他類別的軟執(zhí)行器中使用的光電應(yīng)變傳感相結(jié)合，引入了用于電位反饋控制的自感應(yīng)LCE執(zhí)行器。相同的原理也可以擴展到多疇-單疇相變，用于監(jiān)測同一材料系統(tǒng)中的伸長率和隨之而來的硬化。
 

圖4

 

小結(jié)：作者介紹了一種基于數(shù)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(lián)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)高取向順序；這種排序產(chǎn)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(zhí)行器在軟機器人中的應(yīng)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(tǒng)，該系統(tǒng)利用熱致光學躍遷作為反饋控制的內(nèi)在選擇，使該領(lǐng)域更進一步朝著LCE中的自然肌肉樣感覺運動系統(tǒng)邁進。

 

全文鏈接：

 

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